在多年的工作經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出一個(gè)對(duì)于鋰離子電池而言至關(guān)重要的詞——“均勻”，為什么說(shuō)這個(gè)詞這么重要呢?我們從鋰電池的整個(gè)生產(chǎn)工藝來(lái)看，首先是勻漿過(guò)程，勻漿的目的是將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑等成分“均勻”(劃重點(diǎn))的混合在一起;隨后是涂布過(guò)程，關(guān)鍵在于保證涂布量的“均勻”，避免涂布量波動(dòng)導(dǎo)致的產(chǎn)品一致性差等問(wèn)題;然后是注液過(guò)程，也要保證電解液在電芯內(nèi)部“均勻”的浸潤(rùn)，以保證電池性能和循環(huán)壽命;在電池模組的生產(chǎn)過(guò)程中最為重要的是單體電池的一致性，也就是“均勻”性，以保證電池組的性能充分發(fā)揮。

如何保證電解液在鋰電池電芯內(nèi)充分、均勻浸潤(rùn)是一個(gè)困擾鋰電生產(chǎn)多年的難題，無(wú)數(shù)的鋰電工程師為之付出了大量的心血，德國(guó)博世公司的工程師W.J. Weydanz等人【1】利用中子衍射技術(shù)成功的觀測(cè)到了電解液在軟包鋰離子電池內(nèi)部的浸潤(rùn)過(guò)程(如下圖所示，a，b，c真空注液，d、e、f常壓注液)，可以看到注液2min后大部分電解液還停留在電芯的外部，在47min后真空注液的電池基本上完成了浸潤(rùn)，但是常壓注液的鋰離子電池仍然有相當(dāng)部分的中間位置電芯沒(méi)有浸潤(rùn)，電芯外部殘留了大量的電解液。W.J. Weydanz的研究表明真空注液能夠?qū)囯x子電池的注液時(shí)間縮短50%，并提高10%的注液量，這對(duì)于提高注液質(zhì)量和效率具有重要的意義。

一般我們認(rèn)為重力對(duì)于鋰離子電池的浸潤(rùn)性會(huì)有一定的影響，因此為了保證浸潤(rùn)效果，需要定時(shí)為注液后的鋰離子電池進(jìn)行“翻身”，但是W.J. Weydanz通過(guò)分析上、下兩個(gè)方向上的浸潤(rùn)速度，發(fā)現(xiàn)重力對(duì)于電解液的浸潤(rùn)過(guò)程影響微乎其微，基本上可以忽略重力對(duì)于鋰離子電池浸潤(rùn)的影響。

真空注液能夠改善鋰離子電池的浸潤(rùn)性和提高注液量，目前已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的共識(shí)，但是什么樣的真空注液制度才能將真空注液的效果發(fā)揮到最大呢?為此，慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Thomas Knoche等人【2】對(duì)真空制度對(duì)注液效果的影響進(jìn)行了分析，下面的兩種真空工藝的主要區(qū)別在于注液時(shí)的真空度和封口的時(shí)機(jī)不同。

Thomas Knoche通過(guò)分析浸潤(rùn)面積占據(jù)的比例得到了浸潤(rùn)率數(shù)據(jù)，下圖a為兩種真空制度下電池注液后浸潤(rùn)情況與時(shí)間的關(guān)系曲線，從圖a中能夠看到注液后抽真空次數(shù)多的B制度，在850s時(shí)的平均浸潤(rùn)率為78.73%，而注液后抽真空次數(shù)較少的A制度850s的平均浸潤(rùn)率為73.18%，這表明注液后多抽幾次真空有利于提升電解液的浸潤(rùn)效果。

下圖b為不同真空度下注液后電芯浸潤(rùn)率與時(shí)間的關(guān)系，電芯分別在50mbar、400mbar和900mbar注液后的最終浸潤(rùn)率分別為82.3%、77.9%和70.1%，這表明注液真空度對(duì)于浸潤(rùn)效果有著顯著的影響，注液時(shí)真空度越高則最終電解液對(duì)電芯的浸潤(rùn)效果越好。

下面給大家?guī)?lái)一點(diǎn)福利，下面的視頻為T(mén)homas Knoche通過(guò)中子衍射技術(shù)觀測(cè)到的電解液浸潤(rùn)的全過(guò)程，這也是是小編首次“親眼”看到電解液在電芯內(nèi)的浸潤(rùn)過(guò)程，希望對(duì)各位鋰電工程師們有所幫助。

看視頻流量不夠的朋友可以通過(guò)下面這張動(dòng)圖快速了解下：

除了注液工藝的改善，隔膜的選擇也對(duì)改善電解液浸潤(rùn)效果有著顯著的影響，常見(jiàn)的鋰離子電池隔膜多為PE、PP單層或者多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔膜，這種隔膜具有非常好的穩(wěn)定性，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但是這種非極性的聚合物隔膜與極性的環(huán)狀碳酸酯類(lèi)溶劑(如EC、PC)不相容，導(dǎo)致電解液與隔膜之間的浸潤(rùn)性很差，也直接影響了電解液對(duì)于電芯浸潤(rùn)效果。

為了改善隔膜與電解液的浸潤(rùn)效果，美國(guó)加州大學(xué)的Ethan Rao等人【3】通過(guò)在普通的聚合物隔膜表面涂布一層全氟苯基疊氮化合物PFPA的方式，從而大幅提高了電解液與隔膜之間的浸潤(rùn)性。下圖為經(jīng)過(guò)處理后的隔膜與普通隔膜，在不同的電解液中的浸潤(rùn)情況對(duì)比，從圖中我們能夠看到普通的單層PE隔膜在電解液中的浸潤(rùn)性非常差，特別是在極性較強(qiáng)的后幾種電解液配方中，電解液與PE隔膜之間幾乎不浸潤(rùn)，但是經(jīng)過(guò)PFPA處理后，PE隔膜在所有的電解液配方中都能夠完全的浸潤(rùn)，效果非常明顯。PP/PE/PP三層復(fù)合隔膜也呈現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律，表面處理后大幅提高了電解液的浸潤(rùn)效果。下表展示了普通隔膜和處理后的隔膜的電解液爬升高度數(shù)據(jù)，可以看到經(jīng)過(guò)表面處理后的隔膜在電解液爬升高度上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，這再次說(shuō)明了隔膜表面改性處理對(duì)于提升電解液浸潤(rùn)性具有非常明顯的效果。

隔膜良好的浸潤(rùn)性能夠顯著的提升鋰離子電池的性能，首先就體現(xiàn)在降低內(nèi)阻上，從下圖A可以看到，相比于沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的PE隔膜，經(jīng)過(guò)處理后的PE和PP/PE/PP隔膜的電池內(nèi)阻都有明顯的降低。從圖B中的倍率性能也能夠看到，表面處理后的PE隔膜相比于沒(méi)有處理過(guò)的PE隔膜在倍率性能上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，即便是PP/PE/PP三層復(fù)合隔膜經(jīng)過(guò)PFPA表面處理后倍率性能也有顯著的提升，甚至在一些倍率下超過(guò)了沒(méi)有處理的PE單層隔膜。

如何提高電解液對(duì)電芯的浸潤(rùn)效果是影響鋰離子電池倍率、循環(huán)等性能的關(guān)鍵因素，W.J. Weydanz研究表明真空注液能夠顯著的縮短注液時(shí)間，提高注液質(zhì)量，而ThomasKnoche則進(jìn)一步分析了真空制度對(duì)于注液效果的影響，表明注液真空度越高、封口前抽真空次數(shù)越多，則最終電芯的浸潤(rùn)效果越好。Ethan Rao則通隔膜表面改性處理極大的提高了普通的聚合物隔膜的浸潤(rùn)性，顯著降低了鋰離子電池的內(nèi)阻，提升了電池的倍率性能。而所有的這些工作的目的只有一個(gè)：保證電解液能夠“均勻”的浸潤(rùn)電芯，提升鋰離子電池的性能。