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锂电关键设备(技术)——注液详解!

 隐为 2023-07-21 发布于安徽
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锂电池电解液作用就是正负极之间导通离子,担当充放电的介质,就如人体的血液。如何让电解液充分而均匀的浸润到锂电池内部,成为重要的课题。注液作为锂离子电池制程中的一道关键工序,注液效果的好坏不但影响电池性能,并且也会制约生产效率,理解电解液注液润湿过程及影响因素尤为重要。
锂电池注液可分两步:
(1)注液 将电解液注入电池内部;
(2)浸润 将注入的电解液吸收到电芯,这个非常耗时,这样极大增加锂离子电池生产成本。
注液机经历了常压注液、负压注液、等压注液等几代的发展,工艺已经相对比较成熟。从发展历程来看,都是为了提高极片浸润速度,从而提高了生产效率。负压注液是主流的注液方式,即使是现在流行的等压注液,也是利用差压先将电解液注入电芯,再利用高压等压原理做静置循环,来增加电解液的浸润速度。
注液原理:
差压注液是先对电池抽真空,利用电芯内外压差来驱动电解液流入电芯内部。等压注液是先利用差压原理注液,之后再将注液后的电芯移至高压容器里,对容器抽负压/打正压做静置循环。
如图所示,为差压注液,原理如下:

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① 抽负压 打开密封杆C,关闭A、B,对注液杯和电芯抽负压至-95kPa;
② 备液 打开注液口B,关闭A、C,往注液杯里备液;
③ 注液 打开密封杆C,关闭A、B,由于注液杯和电芯存在压差,驱动电解液流入电芯。
如图所示为高压注液原理

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① 抽真空 打开A、C、E,关闭B、D,对注液杯和电芯抽真空至-95kPa;
② 备液 关闭A、B、C、E,打开D,对注液杯进行备液;
③ 注液 关闭A、B、C、D,打开E,由于电芯内部与注液杯存在压差,驱动电解液流入电芯内部;
④ 高/低压循环 待电芯注液完后,打开A、B、C、E,关闭D,从A打入高压氮气(压力1.0MPa,相当于10个大气压,露点-40℃,纯度99.999%),由于A、B、C、E都是打开的,此时腔体、注液杯和电芯内部是相互联通的;
⑤ 正压保压20s,泄压;再抽负压,循环3-5次。
注液设备:
锂离子电池注液通常采用多工位转盘注液机注液/腔体式注液机、真空倒吸注液机注液工装注液等三种方式。由于手工注液效率低、精度低,已经逐渐趋于淘汰,这里只介绍前两种注液方式使用的设备。

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手工注液工装

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腔体式注液机
多工位转盘注液机由排除电池壳体内部气体的抽真空系统、精确控制注液量的电解液计量系统、输送电解液的注入通道,用于恢复常压的惰性气体(氮气/氩气)注入系统以及适宜流水作业的电池传送系统等组成,主要结构部件见
图10-17( a )。多工位转盘注液机的注液过程见图10-17( b )和( c )。将电池注液孔朝上放置,利用抽真空排除电池壳体内部的气体,形成负压,电池内部的压力为p ::经过计量的电解液进入注液管中,随着氮或氩气的注人,电解液在压力差 △p 的作用下自动流入电池内部,直到电池内部恢复至常压,使电解液完全进入电池壳体内部,同时防止空气及其水蒸气进入电池。多工位转盘式注液机的特点是注液量均匀一致,节省电解液,电池表面无残留电解液,并且对不同型号电池的适应性广。
5.工艺要求
1) 注液量 根据不同的电芯要求,注液系数会有差异,三元体系一般取3~3.5(g/Ah)之间。比如100Ah方形铝壳电芯,注液量在300g~350g左右。
m=K*C0 式中,m,注液量,g;K,注液系数,3~3.5(g/Ah);C0,单体电芯容量,Ah。
2) 精度控制 注液量<200g,公差±1.5g;注液量≥200g,公差<0.6%。
6.品质管控
1)环境要求 露点-40℃,温度23±3℃。如果出现露点超标,可能是人员太多,或者除湿机故障。也可能与潮湿天气有关,比如梅雨天气,环境湿度大,超出了除湿机的除湿能力。这时,可以临时增加独立除湿机柜,并控制干燥房人员数量。
2)电芯臌胀 电芯臌胀要求单边不超过±0.3mm。
3)注液前一般要测烘烤后电芯水分<200PPM,电解液水分<20PPM,游离酸<50PPM。
4)一次注液约为总注液量85%—90%
注液后一般采用45℃高温静置,具体根据公司的工艺水平而变动。

参考文献
  • 基于超声波成像技术的锂离子电池电解液浸润性研究.黄锴 .华中科技大学硕士毕业论文.2019.5.16

  • 锂离子电池的电解液浸润的研究进展.张双虎.珠海冠宇电池股份有限公司.2020.6.19

来源:锂电那些事

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