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电池注液、浸润过程“可视化”解读
新闻来源:东莞市 斯宇自动化设备有限公司 发布时间:2018.04.24
    电解液 是锂离子电池的重要组成部分,在锂离 子电池内部的主要作用是在正负极之间导通离子,随着锂 离子电池容量不断提高,电池的 尺寸也持续的增加,如何保 证电解液在锂离子电池内部充分而均匀的浸润就显得尤为重要。由于锂 离子电池的封闭式结构让我们无法直接观察到电解液在锂离子电池内部的浸润情况,只能通 过事后的解剖来确定电解液是否在电芯内部是否浸润充分,近日德 国博世公司的工程师W.J. Weydanz等通过 中子衍射成像技术对电解液在电芯内部浸润的过程进行了充分的研究,发现真 空能够将电解液的浸润时间减少50%,并提高10%的注液量。
    一般来说,注液过 程可以分为两步:1)注液,这一步 通常只需要几秒钟时间将电解液注入到电池内部;2)浸润,这一步 是将注入的电解液吸收到电芯之中,这通常 是一个非常耗费时间的过程,通常需 要消耗数小时的时间。为了达 到良好的浸润效果,注液和 浸润往往需要反复进行数次,而这一 工序都需要在干燥间环境中进行,极大的 拉升了锂离子电池的生产成本。
    传统检 测方法无法实时监控电解液在锂离子电池内部的浸润情况,W.J. Weydanz利用Li对于中 子具有强烈的吸收作用这一特性,采用中 子衍射技术对注液过程中电解液在锂离子电池那的浸润过程进行了详细的研究。

  实验中W.J. Weydanz采用了HEV上使用的Al壳方形电池,电池的尺寸为120mm*91.5mm*12.5mm,电池采用了7片石墨负极(涂布量8mg/cm2,孔隙率35%),6片NCM111材料正极(涂布量15.8mg/cm2,孔隙率35%)和12片聚合物隔膜(厚度20um,孔隙率48%)。
在电池注液后 ,W.J.Weydanz每隔15s利用种 子衍射手段拍一张照片,10min后每隔60s拍一张照片,30min后每隔120s拍一张照片。下图为注液后20min拍摄的中子衍射照片,图片中 两侧黑色的部位是电池空隙处的电解液,电极中 颜色稍微深一点的是电解液已经浸润的位置,颜色较 浅的位置是尚未被电解液浸润的区域。

上述图 像经过软件进行特殊处理后,可以将 电池分为浸润区(黑色)和非浸润区(白色),以便能 够使用软件对电解液的浸润情况进行统计和处理。


下图为 在真空中注液的电池(下图abc)和在常 压下注液的电池(下图def)的浸润情况,从图上可以看到注液2min后,大部分 电解液还都在电芯的外部空间里,电芯的 边缘位置开始浸润。在浸润47min后,在真空 中注液的电池的电芯几乎完成浸润,电芯外 部残存的电解液明显减少。但是在 常压下注液的电池的电芯中仍然有相当的部分没有完成浸润,电池外 部也残留了大量的游离电解液。




为了研 究电解液浸润速度与时间的关系,W.J. Weydanz对电解液从电芯的上、下、左、右四个 方向的浸润速度进行了分析,结果如下图所示(真空环境注液)。从图上 可以注意到在电池注液后的5min内,电解液 的浸润面积就达到了52%,再经过5min后,浸润面积增加19%达到71%,表明电 解液的浸润速度,随着时 间的增加而降低,电池在51min后才基本完成浸润。从图中 我们还可以注意到电解液从电芯上、下两个 方向的浸润速度几乎是一样的,可见重 力对于电解液的浸润的影响微乎其微。


W.J. Weydanz通过分 析四个方向的浸润数据发现,电解液 的浸润速度与时间呈现对数衰降的关系。但是在 左右两个方向上,W.J. Weydanz却发现,在开始的30min内电解 液的浸润速度呈现出对数衰降的趋势,但是在 此之后浸润速度出现了明显的升高。这一点 可以从下图的浸润区前沿距离各个边的距离关系得到解释,在浸润33分钟时(下图a),左侧的 浸润前沿距离电芯的左端、上端和 下端几乎是一样的,因此开 始的时候左侧浸润的电解液主要从左侧得到新的电解液的补充,但是在8min后,左侧浸 润边缘距离上下两端的距离要明显的短于距左端的距离,因此电 芯左侧的浸润主要从上、下两端 得到电解液的补充,从而加速了左、右两侧电解液的浸润。


同时W.J.Weydanz研究还 发现真空注液能够有效的减少浸润时间,下图为分别在常压(蓝色曲线)和真空(红色曲线)注液后电解液在左、右两个 方向上的浸润速度,可以看 到真空下注液的电池的浸润速度要明显快于常压下注液的电池,常压下 注液的电池需要101min后才能完成全部浸润,但是真 空注液的电池只需要51min就完成了全部的浸润,将浸润时间减少了50%。

除了能 够有效的降低电解液的浸润时间外,W.J. Weydanz还发现 在真空下注液能够使得电芯多吸收10%的电解液,而这些 多吸收的电解液主要被填充在了那些未被浸润的电极微孔之中。


由于锂 离子电池密封结构的限制,以往我 们对于电解液浸润的认识主要是基于经验,而W.J. Weydanz的工作 让我们第一次对于电解液的浸润过程有了一个“可视化”的认识,电解液 的浸润速度与时间呈现出对数衰降的关系。同时也让我们看到,电解液 从电芯的上端和下端的浸润速度是一致的,重力对 于电解液浸润的影响微乎其微,真正对 于电解液浸润影响比较大的是真空,在真空 环境下注液能够将电解液的浸润时间降低50%,电芯吸 收的解液量提高10%。                     所以现 有的注液方式都采用真空注液的模式解决这一问题,软包电 池一般采用真空直注模式,将电池放置在腔体中,抽真空(真空度>-90KP,防止电解液雾化)到设定真空度,直接注液针头打开,注液泵工作进行注液,防止注液针头滴液,一般注 液针需要自动开关控制。

  
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