07.10 如何提高鋰電電解液浸潤效果？浸潤過程現在能直接看到了！

小編在多年的工作經驗中總結出一個對於鋰離子電池而言至關重要的詞——“均勻”，為什麼說這個詞這麼重要呢？我們從鋰離子電池的整個生產工藝來看，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“均勻”（劃重點）的混合在一起；隨後是塗布過程，關鍵在於保證塗布量的“均勻”，避免塗布量波動導致的產品一致性差等問題；然後是注液過程，也要保證電解液在電芯內部“均勻”的浸潤，以保證電池性能和循環壽命；在電池模組的生產過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揮。

如何保證電解液在鋰離子電池電芯內充分、均勻浸潤是一個困擾鋰電生產多年的難題，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離子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後大部分電解液還停留在電芯的外部，在47min後真空注液的電池基本上完成了浸潤，但是常壓注液的鋰離子電池仍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的研究表明真空注液能夠將鋰離子電池的注液時間縮短50%，並提高10%的注液量，這對於提高注液質量和效率具有重要的意義。

一般我們認為重力對於鋰離子電池的浸潤性會有一定的影響，因此為了保證浸潤效果，需要定時為注液後的鋰離子電池進行“翻身”，但是W.J. Weydanz通過分析上、下兩個方向上的浸潤速度，發現重力對於電解液的浸潤過程影響微乎其微，基本上可以忽略重力對於鋰離子電池浸潤的影響。

真空注液能夠改善鋰離子電池的浸潤性和提高注液量，目前已經成為行業內的共識，但是什麼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Thomas Knoche等人【2】對真空制度對注液效果的影響進行了分析，下面的兩種真空工藝的主要區別在於注液時的真空度和封口的時機不同。

Thomas Knoche通過分析浸潤面積佔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後浸潤情況與時間的關係曲線，從圖a中能夠看到注液後抽真空次數多的B制度，在850s時的平均浸潤率為78.73%，而注液後抽真空次數較少的A制度850s的平均浸潤率為73.18%，這表明注液後多抽幾次真空有利於提升電解液的浸潤效果。

下圖b為不同真空度下注液後電芯浸潤率與時間的關係，電芯分別在50mbar、400mbar和900mbar注液後的最終浸潤率分別為82.3%、77.9%和70.1%，這表明注液真空度對於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。

下面給大家帶來一點福利，下面的視頻為Thomas Knoche通過中子衍射技術觀測到的電解液浸潤的全過程，這也是是小編首次“親眼”看到電解液在電芯內的浸潤過程，希望對各位鋰電工程師們有所幫助。（下圖為動圖，如果需要看視頻，請點擊文後“瞭解更多”到原文頁面觀看視頻）

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，常見的鋰離子電池隔膜多為PE、PP單層或者多層複合結構的隔膜，這種隔膜具有非常好的穩定性，因此得到了廣泛的應用，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，也直接影響了電解液對於電芯浸潤效果。

為了改善隔膜與電解液的浸潤效果，美國加州大學的Ethan Rao等人【3】通過在普通的聚合物隔膜表面塗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。下圖為經過處理後的隔膜與普通隔膜，在不同的電解液中的浸潤情況對比，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性非常差，特別是在極性較強的後幾種電解液配方中，電解液與PE隔膜之間幾乎不浸潤，但是經過PFPA處理後，PE隔膜在所有的電解液配方中都能夠完全的浸潤，效果非常明顯。PP/PE/PP三層複合隔膜也呈現出類似的規律，表面處理後大幅提高了電解液的浸潤效果。下表展示了普通隔膜和處理後的隔膜的電解液爬升高度數據，可以看到經過表面處理後的隔膜在電解液爬升高度上具有非常明顯的優勢，這再次說明了隔膜表面改性處理對於提升電解液浸潤性具有非常明顯的效果。

隔膜良好的浸潤性能夠顯著的提升鋰離子電池的性能，首先就體現在降低內阻上，從下圖A可以看到，相比於沒有經過表面處理的PE隔膜，經過處理後的PE和PP/PE/PP隔膜的電池內阻都有明顯的降低。從圖B中的倍率性能也能夠看到，表面處理後的PE隔膜相比於沒有處理過的PE隔膜在倍率性能上有著明顯的優勢，即便是PP/PE/PP三層複合隔膜經過PFPA表面處理後倍率性能也有顯著的提升，甚至在一些倍率下超過了沒有處理的PE單層隔膜。

如何提高電解液對電芯的浸潤效果是影響鋰離子電池倍率、循環等性能的關鍵因素，W.J. Weydanz研究表明真空注液能夠顯著的縮短注液時間，提高注液質量，而ThomasKnoche則進一步分析了真空制度對於注液效果的影響，表明注液真空度越高、封口前抽真空次數越多，則最終電芯的浸潤效果越好。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性，顯著降低了鋰離子電池的內阻，提升了電池的倍率性能。而所有的這些工作的目的只有一個：保證電解液能夠“均勻”的浸潤電芯，提升鋰離子電池的性能。