如何才可提高鋰電池電解液平均浸潤效果

我們從鋰電池的整個加工工藝來看，首先是勻漿過程，勻漿的目的是將活性物質、導電劑和粘結劑等成分平均（劃重點）的混合在一起；隨后是涂布過程，關鍵在于保證涂布量的平均，戒備涂布量波動導致的產品一致性差等問題；然后是注液過程，也要保證電解液在電芯內部平均的浸潤，以保證電池性能和循環壽命；在電池模組的加工過程中最為緊要的是單體電池的一致性，也就是平均性，以保證電池包的性能充足發揮。

要怎么樣保證電解液在鋰電池電芯內充足、平均浸潤是一個困擾鋰電加工多年的難題，無數的鋰電工程師為之付出了大量的心血。

德國博世公司的工程師W.J.Weydanz等人【1】利用中子衍射技術成功的觀測到了電解液在軟包鋰電池內部的浸潤過程（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。

但是常壓注液的鋰電池依然有相當部分的中間位置電芯沒有浸潤，電芯外部殘留了大量的電解液。W.J.Weydanz的研究聲明真空注液能夠將鋰電池的注液時間縮短50%，并提高10%的注液量，這關于提高注液質量和效率具有緊要的意義。

一般我們認為重力關于鋰電池的浸潤性會有一定的影響，因此為了保證浸潤效果，要按時為注液后的鋰電池進行翻身，但是W.J.Weydanz通過分解上、下兩個方向上的浸潤速度，發現重力關于電解液的浸潤過程影響微乎其微，基本上可以忽略重力關于鋰電池浸潤的影響。

真空注液能夠改善鋰電池的浸潤性和提高注液量，目前已經成為行業內的共識，但有哪些樣的真空注液制度才能將真空注液的效果發揮到最大呢？為此，慕尼黑工業大學的ThomasKnoche等人【2】對真空制度對注液效果的影響進行了分解，下面的兩種真空工藝的緊要差別在于注液時的真空度和封口的時機不同。

ThomasKnoche通過分解浸潤面積占據的比例得到了浸潤率數據，下圖a為兩種真空制度下電池注液后浸潤情況與時間的關系曲線，從圖a中能夠看到注液后抽真空次數多的B制度，在850s時的均勻浸潤率為78.73%，而注液后抽真空次數較少的A制度850s的均勻浸潤率為73.18%，這聲明注液后多抽幾次真空有利于提升電解液的浸潤效果。

下圖b為不同真空度下注液后電芯浸潤率與時間的關系，電芯分別在50mbar、400mbar和900mbar注液后的最終浸潤率分別為82.3%、77.9%和70.1%，這聲明注液真空度關于浸潤效果有著顯著的影響，注液時真空度越高則最終電解液對電芯的浸潤效果越好。

除了注液工藝的改善，隔膜的選擇也對改善電解液浸潤效果有著顯著的影響，常見的鋰電池隔膜多為PE、PP單層或者多層復合結構的隔膜，這種隔膜具有非常好的穩定性，因此得到了廣泛的使用，但是這種非極性的聚合物隔膜與極性的環狀碳酸酯類溶劑（如EC、PC）不相容，導致電解液與隔膜之間的浸潤性很差，也筆直影響了電解液關于電芯浸潤效果。

為了改善隔膜與電解液的浸潤效果，美國加州大學的EthanRao等人【3】通過在一般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性。下圖為經過解決后的隔膜與一般隔膜，在不同的電解液中的浸潤情況比較，從圖中我們能夠看到一般的單層PE隔膜在電解液中的浸潤性非常差，特別是在極性較強的后幾種電解液配方中，電解液與PE隔膜之間幾乎不浸潤，但是經過PFPA解決后，PE隔膜在所有的電解液配方中都能夠完全的浸潤，效果非常分明。

PP/PE/PP三層復合隔膜也呈現出類似的規律，表面解決后大幅提高了電解液的浸潤效果。下表展示了一般隔膜和解決后的隔膜的電解液爬升高度數據，可以看到經過表面解決后的隔膜在電解液爬升高度上具有非常分明的優點，這再次說明了隔膜表面改性解決關于提升電解液浸潤性具有非常分明的效果。

隔膜良好的浸潤性能夠顯著的提升鋰電池的性能，首先就體今朝降低內阻上，從下圖A可以看到，相比于沒有經過表面解決的PE隔膜，經過解決后的PE和PP/PE/PP隔膜的電池內阻都有分明的降低。從圖B中的倍率性能也能夠看到，表面解決后的PE隔膜相比于沒有解決過的PE隔膜在倍率性能上有著分明的優點，即便是PP/PE/PP三層復合隔膜經過PFPA表面解決后倍率性能也有顯著的提升，甚至在一些倍率下超過了沒有解決的PE單層隔膜。

要怎么樣提高電解液對電芯的浸潤效果是影響鋰電池倍率、循環等性能的關鍵因素，W.J.Weydanz研究聲明真空注液能夠顯著的縮短注液時間，提高注液質量，而ThomasKnoche則進一步分解了真空制度關于注液效果的影響，聲明注液真空度越高、封口前抽真空次數越多，則最終電芯的浸潤效果越好。

EthanRao則通隔膜表面改性解決極大的提高了一般的聚合物隔膜的浸潤性，顯著降低了鋰電池的內阻，提升了電池的倍率性能。而所有的這些工作的目的惟有一個：保證電解液能夠平均的浸潤電芯，提升鋰電池的性能。

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