更新時間:2025-12-01
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摘要:在鋰離子電池制造過程中,水分是影響電芯性能、壽命和安全性的“隱形殺手"。特別是卷繞或疊片完成后的電芯,其內(nèi)部結構復雜,包含了極易吸附水分的石墨負極、多孔的隔膜以及富含粘結劑的極片涂層。如何高效、地去除這些部件中吸附的微量水分,是提升電池品質的關鍵環(huán)節(jié)。本文旨在深入分析電芯內(nèi)部各組分的水分特性,并系統(tǒng)探討當前、高效的干燥解決方案。
電芯內(nèi)部即使微量的水分(通常要求降至百萬分之100-200以下,即100-200 ppm)也會引發(fā)一系列致命問題:
副反應與產(chǎn)氣:水分與電解液中的鋰鹽(如LiPF?)反應,生成HF(腐蝕性)和氣體(如CO?、CO)。產(chǎn)氣會導致電芯鼓脹,內(nèi)壓升高,引發(fā)安全隱患。
SEI膜惡化:水分會破壞石墨負極表面形成的固態(tài)電解質界面膜,導致SEI膜不穩(wěn)定、持續(xù)增厚,消耗活性鋰,造成不可逆的容量衰減和循環(huán)壽命縮短。
電流集流體腐蝕:生成的HF會腐蝕鋁箔集流體,導致接觸電阻增大,電池功率性能下降,甚至引發(fā)內(nèi)短路。
自放電加劇:水分引發(fā)的副反應會持續(xù)消耗電量,導致電芯自放電率升高。
因此,對卷繞/疊片后的電芯進行深度干燥,是確保電池高一致性、長壽命和高安全性的必由之路。
卷繞或疊片后的電芯是一個多層次、多材料的復合體,其水分來源和吸附特性各不相同:
石墨負極:干燥難點與核心。
高比表面積與多孔結構:石墨材料具有巨大的比表面積和豐富的孔隙,對水分子具有的物理吸附能力。
表面官能團:石墨顆粒表面可能存在含氧官能團,能與水分子形成氫鍵,產(chǎn)生強烈的化學吸附。這部分水最難去除。
隔膜:
多孔親液性:PE/PP等聚烯烴隔膜雖然本身疏水,但其巨大的微孔結構為水分子提供了藏身之所。部分涂膠隔膜(如陶瓷涂覆、PVDF涂覆)則可能引入更多的親水點。
極片涂層:
粘結劑(PVDF/SBR等)的吸濕性:粘結劑高分子鏈段可能含有極性基團,會吸附水分。
導電劑(SP)的高比表面積:導電炭黑具有的比表面積,是吸附水分的另一大“倉庫"。
殘余溶劑:極片涂布烘干后,涂層深處可能仍有微量溶劑殘留,它們在干燥過程中也需要被一并去除。
針對上述復雜的水分分布,現(xiàn)代電芯干燥方案已從傳統(tǒng)的熱風烘箱發(fā)展為更高效、更精準的綜合性解決方案。
解決方案一:真空烘箱干燥——經(jīng)典且主流
這是目前應用泛的方案,真空干燥箱通過“加熱"和“真空"兩個核心手段協(xié)同作用。
真空干燥箱干燥工作原理:
加熱:提供能量,使吸附在材料內(nèi)部的水分子獲得動能,從吸附態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)。
真空:極大地降低水汽分壓,創(chuàng)造了水分快速蒸發(fā)的驅動力;同時,低氣壓環(huán)境降低了水的沸點,允許在相對較低的溫度下實現(xiàn)高效脫水,避免對隔膜等熱敏材料造成損傷。
真空干燥箱干燥工藝優(yōu)化關鍵:
升溫程序:采用階梯升溫法。先低溫(如80℃)長時間干燥,去除大部分自由水和弱吸附水,再升至最終溫度(如105-120℃),深度去除強吸附水。這能避免表面水分快速蒸發(fā)堵塞內(nèi)部通道(“結殼"現(xiàn)象)。
真空控制:在升溫前期不宜開啟高真空,以免表面水分過快蒸發(fā)帶走大量熱量,導致電芯溫度下降。應在溫度穩(wěn)定后,逐步提高真空度。
載具設計:電芯在烘箱內(nèi)的放置架需設計合理,確保熱輻射和傳導面,避免出現(xiàn)干燥死角。
解決方案二:接觸式熱板干燥(針對疊片電芯)
此方案特別適用于疊片電芯,通過直接接觸傳導,實現(xiàn)高效熱管理。
工作原理:將疊片電芯置于上下兩塊加熱板之間,通過緊密接觸進行熱傳導。
優(yōu)勢:
傳熱效率高:避免了熱風或輻射加熱中的空氣熱阻,熱量直接傳遞到電芯內(nèi)部,升溫速度快,能耗低。
溫度均勻性好:電芯各部位與熱板接觸,受熱均勻,干燥一致性高。
可集成壓力:可在干燥過程中施加輕度壓力,有助于電芯界面接觸,但需注意壓力對隔膜孔隙的影響。
解決方案三:微波真空聯(lián)合干燥——前沿高效技術
這是潛力的下一代干燥技術,實現(xiàn)了從“由表及里"到“內(nèi)外同時"加熱的跨越。
工作原理:微波能直接作用于極性分子(如水分子),使其高頻振蕩,相互摩擦產(chǎn)生熱量。這意味著電芯內(nèi)部的各個部分同時作為熱源,實現(xiàn)體相加熱。
核心優(yōu)勢:
速度極快:干燥時間可縮短至傳統(tǒng)真空烘箱的1/10甚至1/20。
選擇性加熱:微波對水等極性物質加熱效率高,而對非極性的隔膜、集流體等材料加熱效應弱,能量利用效率高,且能有效保護隔膜。
深度干燥:能直接激發(fā)被深度吸附在石墨孔隙中的水分子,解決傳統(tǒng)方法“鞭長莫及"的難題。
挑戰(zhàn):設備成本高;工藝控制復雜,需防止局部過熱;對電芯內(nèi)部的金屬極耳可能存在打火風險,需特殊設計。
解決方案四:遠紅外輻射干燥
工作原理:利用遠紅外線直接被物質分子吸收產(chǎn)生熱效應的原理進行加熱。
優(yōu)勢:熱穿透能力優(yōu)于熱風,加熱速度較快,清潔無污染。
應用:常作為真空烘箱的輔助加熱源,或用于干燥線的預熱段。
一個優(yōu)秀的干燥方案不僅是設備的選擇,更是一個系統(tǒng)工程:
低露點環(huán)境傳輸:干燥后的電芯必須在露點極低(如<-40℃)的干燥房或手套箱中進行轉運和封裝,防止再次吸濕。
在線水分監(jiān)測:在干燥過程中或結束后,通過在線質譜儀或激光水分傳感器,實時監(jiān)測烘箱內(nèi)水汽分壓的變化,為工藝優(yōu)化和終點判斷提供數(shù)據(jù)支持,實現(xiàn)從“經(jīng)驗驅動"到“數(shù)據(jù)驅動"的轉變。
MES系統(tǒng)集成:將每個電芯的干燥工藝參數(shù)(溫升曲線、真空度、持續(xù)時間)綁定其條碼,實現(xiàn)全生命周期的質量追溯。
去除卷繞/疊片后電芯中的吸附水分是一場關乎電池本質安全的“攻堅戰(zhàn)"。石墨負極因其強烈的物理/化學吸附性是干燥工藝需要攻克的核心堡壘。
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