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Zhetu Scientific Instrument
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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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