一種鋰電池內水去除工藝方法

關鍵詞：鋰電池；干燥原理；內水去除；測試方法

0 前言

電池中的水分（以下簡稱“電池內水”）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。根據水分與物料的結合能，將電池內水與物料的結合形式分為：① 化學結合水分；② 吸附結合水分；③ 機械結合水分。鋰離子電池中的水分主要是吸附結合水分［1］。

鋰電池內水在化成過程中容易產氣，引起電池鼓脹；水分分解產生HF，對正負極材料、集流體等具有腐蝕破壞作用，從而影響電池的循環性能及安全性能；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水。

1 電池內水去除工藝

1. 1 電池內水引起的反應機理

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

1. 2 電池內水干燥原理與工藝流程

鋰電池極片涂布的最后1 道工序是烘干后續工序，卷繞、入殼，以及電池附件在各個環節吸收空氣中水分［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 干燥設備

2. 1 烘烤設備

真空烘烤設備：通過加熱和真空的方式為電池除水提供能量，達到去除電池內水的目的。由真空控制系統、溫控系統和干燥氣體加熱系統等組成真空控制系統，當真空度達到-100 kPa 后關閉真空電磁閥，并在1 h 內保持真空度為-98.5 kPa。

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

干燥氣體加熱系統：干燥氣體進入爐腔前需要經過加熱裝置加熱，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。

此外，爐腔的運風加熱、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模塊，能實時、準確地讀取溫度、時間和壓力，數據可上傳至制造執行系統（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水含量，以確認烘烤是否完成預計目標。

K-F 法測定水分含量是一種電化學方法，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，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，在陽極電解產生被消耗的碘，從而使氧化還原反應持續進行，直至水分全部耗盡。依據法拉第電解定律，電解產生的碘與電解時所耗用的電量成正比，其反應如下［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系呈二次項公式，真空度越高，電芯所需烘烤時間越長。

4 結論

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，得出以下結論：

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

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

（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） 傳統真空干燥工藝往往難以實現高真空狀態，爐區內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，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，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。