电芯烘烤机理及其关键点控制!

一、水分危害

烘烤在电芯制作中，起到举足轻重的作用，烘烤后的水含量，直接影响着电性能。烘烤工序属于中段装配后，注液封装前，如图1所示。电解液对水含量要求极高，一般控制在150ppm以内。

图1.烘烤工序

研究表明，水分对电池容量首效、循环性能、内阻、厚度都有重要的影响。

适量的水分有助于以LiCO3为主的SEI膜的形成，致密性好、均一性好。当SEI膜完全覆盖负极片表面后，反应就停止。过量的水就会和电解液中的锂盐发生反应，消耗了锂离子。锂盐的消耗，减短了电池的放电时间，从而降低了容量的首效。

根据郑留群等的研究，水分控制在170ppm以内，0.5C循环100cycle，容量保持率≥98%。水含量从170ppm增加到210ppm时，容量保持率降到93%，如图2所示。理由是，当水含量大时，过剩的水分与电解液的锂盐发生副反应，产生HF，及沉淀物。HF巨有强酸性，腐蚀集流体。产生的沉淀物覆盖在极片表面，阻碍了锂离子进出。以上两个因素，是导致了电池的循环性能变差的主要原因。

图.2 容量保持率

（11号电池水含量170ppm，22号电池水含量210ppm）

根据肖顺华等的研究，适量的水分可以促进SEI的形成，而多余的水分会与锂盐反应，产生沉淀物，附着在极片表面。这些附着物阻碍了锂离子的进出，导致电池内阻增大。同时过量的水分，也是导致极片反弹，厚度增加的原因。

二、烘烤原理

烘烤过程一般采用真空烘烤方式，将腔体抽至负压，后加热到一定温度，进行保温烘烤。极片内部的水分，通过压力差或者浓度差扩散到物体表面，水分子在物体表面获得足够的动能，在克服分子间引力后，逃逸到真空室的低气压中。

图3.电芯内部水分蒸发示意

真空干燥主要经历三个过程：

首先，物料通过热源吸收热量，升温并将内部的水分汽化；

其次，物料内部水分以液态形式向表面移动，然后在表面汽化；

最后，在物料表面汽化的水蒸气逐渐逃逸到真空腔室内，并通过真空室流向外界。

三、烘烤温度及其一致性控制

根据顾思源等对食物烘烤的研究，烤箱在改善前，上、中、下三层温度总方差为9.5℃。对现有方案进行改善，包括如下方案：小孔位置改变、小孔数量增加、热风速改变、加热管位置改变，以及盖板结构改变。改变后机构，烤箱上中下三层温度总方差为1.1℃。

①顶部出风孔位置可能造成内外气流形成短路，将出风孔位置内移50mm时，温度均一性最优，温度总方差为1.9℃。

②进风孔数量对腔内气流有很大影响，在原小孔两侧各增加一个小孔时，温度均一性最好，温度总方差为3.3℃。

③回风速度对腔内气流循环有很大影响，总体来讲，回风速度越大，温度均一性越好。但回风速度也不能太大，会影响加热时间及能耗的增加。当回风速度为2m/s时，温度均一性最好，温度总方差为7.2℃。

④加热管辐射加热对烘烤有着关键作用，改变加热管位置，可以一定程度改变温度均一性。将上下加热管外移30mm时，温度总方差为4.2℃，不足是上层的温度偏高。

⑤改变进风背板结构，将四周凸起设置成缓坡，并同时按比例放大盖板尺寸，以改善附近的气流分布，减少涡流、死角。改变后，温度总方差为2.8℃。

最后进行方案综合优化，顶部出风小孔内移50mm，热风回风速度为2m/s时，温度总方差最小，为1.1℃，达到了先进水平。

图4.a.优化前测试温度与模拟温度值

图4.b.优化前/后温度对比

图5锂电池干燥线