一種鋰電池內(nèi)水去除工藝方法

關(guān)鍵詞：鋰電池；干燥原理；內(nèi)水去除；測試方法

0 前言

電池中的水分（以下簡稱“電池內(nèi)水”）包括陰極極片、隔膜、陽極極片、殼體及電池附件所引入的水分。根據(jù)水分與物料的結(jié)合能，將電池內(nèi)水與物料的結(jié)合形式分為：① 化學(xué)結(jié)合水分；② 吸附結(jié)合水分；③ 機械結(jié)合水分。鋰離子電池中的水分主要是吸附結(jié)合水分［1］。

鋰電池內(nèi)水在化成過程中容易產(chǎn)氣，引起電池鼓脹；水分分解產(chǎn)生HF，對正負(fù)極材料、集流體等具有腐蝕破壞作用，從而影響電池的循環(huán)性能及安全性能；過多的水分會引起電解液中鋰鹽的分解。因此需要去除電池內(nèi)水。

1 電池內(nèi)水去除工藝

1. 1 電池內(nèi)水引起的反應(yīng)機理

化成過程中，適量的水分有利于形成以Li₂CO₃為主、穩(wěn)定性好、均勻致密的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。當(dāng)水分含量大于形成SEI 膜所需的水分含量時，在SEI 膜表面會形成POF₃ 和LiF 沉淀，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大。SEI 膜形成后，在仍存在H₂O 的條件下，H₂O 會促使電解液中的LiPF6 分解產(chǎn)生HF，因此在電池制作過程中必須嚴(yán)格控制電芯水分含量，確保電芯品質(zhì)。電池內(nèi)水引起的反應(yīng)機理為：

1. 2 電池內(nèi)水干燥原理與工藝流程

鋰電池極片涂布的最后1 道工序是烘干后續(xù)工序，卷繞、入殼，以及電池附件在各個環(huán)節(jié)吸收空氣中水分［2］，因此在注入電解液前需要進行最后的干燥。以干燥工藝為例，真空干燥的具體工藝流程為：常壓自由升溫—設(shè)定溫度—抽真空—干燥—水分含量測試。置換干燥的具體工藝流程為：常壓自由升溫— 設(shè)定溫度— 抽真空— 干燥— 熱氣體干燥—抽真空—干燥—熱氣體干燥—水分含量測試。

2 干燥設(shè)備

2. 1 烘烤設(shè)備

真空烘烤設(shè)備：通過加熱和真空的方式為電池除水提供能量，達到去除電池內(nèi)水的目的。由真空控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和干燥氣體加熱系統(tǒng)等組成真空控制系統(tǒng)，當(dāng)真空度達到-100 kPa 后關(guān)閉真空電磁閥，并在1 h 內(nèi)保持真空度為-98.5 kPa。

溫控系統(tǒng)：爐壁加熱裝置采用云母片加熱方式，爐腔內(nèi)部采用內(nèi)運風(fēng)方式加快升溫，爐溫一致性得到提高，要求距離爐腔內(nèi)壁30 mm 以上的溫度均勻性控制在±5 K［3］。

干燥氣體加熱系統(tǒng)：干燥氣體進入爐腔前需要經(jīng)過加熱裝置加熱，要求溫度在60～130 ℃，進氣管道口必須配置過濾裝置，以防止灰塵、金屬屑等進入爐內(nèi)。

此外，爐腔的運風(fēng)加熱、抽真空、卸真空等動作的切換全部自動化操控，采用可編輯邏輯控制路（PLC）程序控制，且PLC 控制器配置有以太網(wǎng)模塊，能實時、準(zhǔn)確地讀取溫度、時間和壓力，數(shù)據(jù)可上傳至制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。

2. 2 水含量測試儀

采用卡氏庫侖（K-F）法水含量測試儀檢測烘烤后電池內(nèi)水含量，以確認(rèn)烘烤是否完成預(yù)計目標(biāo)。

K-F 法測定水分含量是一種電化學(xué)方法，其原理是在一定溫度下將極片中的水分烘烤出，空氣流將水分帶到電解池中并參與碘、二氧化硫的氧化還原反應(yīng)，在存在吡啶和甲醇的情況下，生成氫碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，在陽極電解產(chǎn)生被消耗的碘，從而使氧化還原反應(yīng)持續(xù)進行，直至水分全部耗盡。依據(jù)法拉第電解定律，電解產(chǎn)生的碘與電解時所耗用的電量成正比，其反應(yīng)如下［4］：

采用極片測試，消除電芯高度等的影響，則由真空度對烘烤效率的影響曲線（真空干燥爐）可知，烘烤時間與真空度關(guān)系呈二次項公式，真空度越高，電芯所需烘烤時間越長。

4 結(jié)論

本文研究了電池升高不同溫度對烘烤時間的影響、電池比表面積對烘烤時間的影響、置換干燥爐和非置換干燥爐對電池烘烤溫度的影響，得出以下結(jié)論：

（1） 提高烘烤溫度，使電芯材料內(nèi)部具有較高的水蒸氣分壓，有利于降低電池內(nèi)水含量，這與試驗結(jié)果相符。因此，在材料的耐溫范圍內(nèi)，應(yīng)盡量提高烘箱溫度，以提高烘烤電芯效率。

（2） 水分?jǐn)U散包括水分在電極材料內(nèi)部擴散，在電芯厚度及高度方向擴散；電極材料比表面積增大，水分在電極材料內(nèi)部的擴散速率提高，導(dǎo)致烘烤效率下降。

（3） 相對比表面積的影響，電芯高度的影響較小。在烘烤后，電芯高度越高，水分逸出電芯表面的擴散路徑增加，從而使烘烤效率降低。

（4） 傳統(tǒng)真空干燥工藝往往難以實現(xiàn)高真空狀態(tài)，爐區(qū)內(nèi)有少量的平衡氣體存在，因此存在一定的壓力P。烘烤初期，飽和蒸汽壓僅與溫度相關(guān)，且大于P，電芯干燥處于快速階段；隨著烘烤時間的增加，水蒸氣逐漸擴散到爐內(nèi)，P 分壓逐漸增大，電芯干燥進入降速階段。真空度越低，達到飽和蒸汽壓所需時間越長，烘烤效率越高。