锂离子电池生产过程中能耗占到整个锂离子电池能耗的66%左右, 而干燥间的能耗又占到了整个生产能耗的43%左右 (因当地自然环境和生产工艺的区别, 可能有所变化) . 作为锂离子电池生产的重要步骤——注液, 主要是在干燥间内完成, 因此在保证浸润效果的前提下尽量减少浸润时间对于降低锂离子电池的生产成本具有重要的意义. 以往, 我们无法对锂离子电池的注液, 浸润过程进行实时的观察, 因此对于注液工艺的优化更多的是基于经验分析, 近年来随着中子衍射等观测手段的成熟, 让我们有机会对于电解液在锂离子电池内部的浸润情况进行实时的观察, 例如我们前一段时间就曾在《电池注液, 浸润过程 '可视化' 解读》 (请点击链接) 一文中报道了德国博世公司的W.J. Weydanz等人采用中子成像技术对电解液在锂离子电池内的浸润情况进行了仔细的研究, 技术手段的进步让我们 '看' 到了电解液在锂离子电池内的浸润过程, 而浸润模型的建立则能让我们从原理上弄明白电解液的浸润过程.
影响锂离子电池注液和浸润的因素非常多, 例如注液设备, 电池结构, 电池材料和注液工艺等等都会对注液和浸润效果产生重要的印象, 而这些因素之间的关系往往错综复杂, 相互影响, 相互作用, 因此如何优化注液和浸润就变得非常主观, 因此优化效果往往差强人意. 德国慕尼黑工业大学Thomas Knoche等通过建立模型的方式, 阐明了注液过程中的各个因素之间的相互作用和因果关系, 为优化锂离子电池注液过程提供了强有力的分析工具.
1.模型介绍
Thomas Knoche的模型结构可以分为三步, 构建模型的第一步主要为细分注液过程, 如下图所示. 注液过程的影响因素可以细分为 '产品设计' , '注液设备' , '工艺特性' , '注液设备' , 以及 '产品质量' 和 '工艺质量' 几部分. 其中 '产品设计' 又可以继续细分为几个更加具体的部分, 特别是当这个几个部分工作机理不同时, 更应该进行详细的划分, 例如对于锂离子电池注液过程, 电池设计可以分为 '电池结构' 和 '电池材料' 两大部分, 其中 '电池结构' 代表的是电池的宏观结构, '电池材料' 则代表电池材料的物理和化学特性. '设备' 和 '工艺实施' 则代表了生产过程对于电池特性的影响. '工艺现象' 是这一层模型的核心, 因此 '工艺现象' 描述了其他不同部分之间的因果关系. 最终上述的输入因素都会最终反映在输出 '产品质量' 和 '工艺质量' 上.
构建模型的第二步主要阐述不同因素之间的因果关系, 如下图所示.
构建模型的第三步主要是根据实际的工艺步骤将模型具体化和详细化, 如下图所示.
2.模型应用
2.1注液工艺
锂离子电池的注液和浸润可以细分为多个步骤——注液, 密封和浸润, 以及各个步骤之间的准备工作等. 根据上面的的构建模型的方法, 锂离子电池的注液和浸润过程可以由下图表示, 下图中的箭头表明了注液过程各个因素之间的因果关系. 从图上可以看到, 注液过程主要受到注液系统和体系压力两个因素的影响. 而体系压力会对电池注液准备, 注液, 密封前浸润和密封后浸润等过程产生影响, 可见体系压力是电池体系注液和浸润过程最重要的影响因素.
目前的常见的注液方式主要分为两类, 一种是通过注液孔直接注液 (最主流的方式) , 另外一种是将电池放入到电解液之中让电解液渗入电池. 通过注液孔注液的方式, 根据注液量又可以分为单倍注液和多倍注液 (受到电池结构和批次的影响) . 几种注液方式促进浸润的措施各有不同, 其中单倍注液方法, 通过反复的抽压的方式促进电解液在电芯内的浸润, 而多倍注液方法是通过加压的方式促进电解液在电芯内浸润, 浸入式注液则没有促进浸润的措施.
2.2注液设备
注液和浸润用到的设备, 以及设备之间相互的因果关系如下图所示. 可以看到注液设备主要由三部分组成: 1) 注液设备; 2) 压力控制设备, 真空设备和加压设备; 3) 电池固定结构.
2.3工艺特性
影响电池注液和浸润的因素如下图所示, 它们之间的因果关系如箭头所示. 锂离子电池的注液主要受到电池结构, 电池材料和注液工艺的影响.
2.4产品设计
产品设计这一部分可以分为两大部分: 1) 电池材料选择; 2) 电池结构设计. 不同的材料具有不同的物理和化学特性, 因此锂离子电池的材料选择决定了电解液的浸润速度, 如电解液的粘度, 表面张力, 多孔材料的微孔结构, 电解液和正负极材料的接触角等特性都会对电池的浸润性产生影响. 电解液在浸润到电芯之前, 会首先存储在锂离子电池的外壳之中, 因此电池的结构 (方形或者圆柱, 硬壳或者软包, 叠片或者卷绕) 都会对电解液的浸润产生一定的影响. 这些影响因素之间的因果关系如下图所示.
Thomas Knoche等人采用的模型化分析方式, 将影响锂离子电池注液和浸润过程的因素, 以及这些因素之间的影响因素更加清晰的展现在了我们的面前, 从而让我们能够更加全面的分析影响的分析影响锂离子电池注液的因素, 为优化锂离子电池注液和浸润过程提供了强大的分析工具.
