鋰離子電池生產過程中能耗佔到整個鋰離子電池能耗的66%左右, 而乾燥間的能耗又佔到了整個生產能耗的43%左右 (因當地自然環境和生產工藝的區別, 可能有所變化) . 作為鋰離子電池生產的重要步驟——注液, 主要是在乾燥間內完成, 因此在保證浸潤效果的前提下盡量減少浸潤時間對於降低鋰離子電池的生產成本具有重要的意義. 以往, 我們無法對鋰離子電池的注液, 浸潤過程進行即時的觀察, 因此對於注液工藝的優化更多的是基於經驗分析, 近年來隨著中子衍射等觀測手段的成熟, 讓我們有機會對於電解液在鋰離子電池內部的浸潤情況進行即時的觀察, 例如我們前一段時間就曾在《電池注液, 浸潤過程 '可視化' 解讀》 (請點擊連結) 一文中報道了德國博世公司的W.J. Weydanz等人採用中子成像技術對電解液在鋰離子電池內的浸潤情況進行了仔細的研究, 技術手段的進步讓我們 '看' 到了電解液在鋰離子電池內的浸潤過程, 而浸潤模型的建立則能讓我們從原理上弄明白電解液的浸潤過程.
影響鋰離子電池注液和浸潤的因素非常多, 例如注液設備, 電池結構, 電池材料和注液工藝等等都會對注液和浸潤效果產生重要的印象, 而這些因素之間的關係往往錯綜複雜, 相互影響, 相互作用, 因此如何優化注液和浸潤就變得非常主觀, 因此優化效果往往差強人意. 德國慕尼黑工業大學Thomas Knoche等通過建立模型的方式, 闡明了注液過程中的各個因素之間的相互作用和因果關係, 為優化鋰離子電池注液過程提供了強有力的分析工具.
1.模型介紹
Thomas Knoche的模型結構可以分為三步, 構建模型的第一步主要為細分注液過程, 如下圖所示. 注液過程的影響因素可以細分為 '產品設計' , '注液設備' , '工藝特性' , '注液設備' , 以及 '產品質量' 和 '工藝質量' 幾部分. 其中 '產品設計' 又可以繼續細分為幾個更加具體的部分, 特別是當這個幾個部分工作機理不同時, 更應該進行詳細的劃分, 例如對於鋰離子電池注液過程, 電池設計可以分為 '電池結構' 和 '電池材料' 兩大部分, 其中 '電池結構' 代表的是電池的宏觀結構, '電池材料' 則代表電池材料的物理和化學特性. '設備' 和 '工藝實施' 則代表了生產過程對於電池特性的影響. '工藝現象' 是這一層模型的核心, 因此 '工藝現象' 描述了其他不同部分之間的因果關係. 最終上述的輸入因素都會最終反映在輸出 '產品質量' 和 '工藝質量' 上.
構建模型的第二步主要闡述不同因素之間的因果關係, 如下圖所示.
構建模型的第三步主要是根據實際的工藝步驟將模型具體化和詳細化, 如下圖所示.
2.模型應用
2.1注液工藝
鋰離子電池的注液和浸潤可以細分為多個步驟——注液, 密封和浸潤, 以及各個步驟之間的準備工作等. 根據上面的的構建模型的方法, 鋰離子電池的注液和浸潤過程可以由下圖表示, 下圖中的箭頭表明了注液過程各個因素之間的因果關係. 從圖上可以看到, 注液過程主要受到注液系統和體系壓力兩個因素的影響. 而體系壓力會對電池注液準備, 注液, 密封前浸潤和密封后浸潤等過程產生影響, 可見體系壓力是電池體系注液和浸潤過程最重要的影響因素.
目前的常見的注液方式主要分為兩類, 一種是通過注液孔直接注液 (最主流的方式) , 另外一種是將電池放入到電解液之中讓電解液滲入電池. 通過注液孔注液的方式, 根據注液量又可以分為單倍注液和多倍注液 (受到電池結構和批次的影響) . 幾種注液方式促進浸潤的措施各有不同, 其中單倍注液方法, 通過反覆的抽壓的方式促進電解液在電芯內的浸潤, 而多倍注液方法是通過加壓的方式促進電解液在電芯內浸潤, 浸入式注液則沒有促進浸潤的措施.
2.2注液設備
注液和浸潤用到的設備, 以及設備之間相互的因果關係如下圖所示. 可以看到注液設備主要由三部分組成: 1) 注液設備; 2) 壓力控制設備, 真空設備和加壓設備; 3) 電池固定結構.
2.3工藝特性
影響電池注液和浸潤的因素如下圖所示, 它們之間的因果關係如箭頭所示. 鋰離子電池的注液主要受到電池結構, 電池材料和注液工藝的影響.
2.4產品設計
產品設計這一部分可以分為兩大部分: 1) 電池材料選擇; 2) 電池結構設計. 不同的材料具有不同的物理和化學特性, 因此鋰離子電池的材料選擇決定了電解液的浸潤速度, 如電解液的粘度, 表面張力, 多孔材料的微孔結構, 電解液和正負極材料的接觸角等特性都會對電池的浸潤性產生影響. 電解液在浸潤到電芯之前, 會首先存儲在鋰離子電池的外殼之中, 因此電池的結構 (方形或者圓柱, 硬殼或者軟包, 疊片或者卷繞) 都會對電解液的浸潤產生一定的影響. 這些影響因素之間的因果關係如下圖所示.
Thomas Knoche等人採用的模型化分析方式, 將影響鋰離子電池注液和浸潤過程的因素, 以及這些因素之間的影響因素更加清晰的展現在了我們的面前, 從而讓我們能夠更加全面的分析影響的分析影響鋰離子電池注液的因素, 為優化鋰離子電池注液和浸潤過程提供了強大的分析工具.
