锂电池电解液的作用是促进离子在正负极之间的传导,作为充放电的介质,很像人体中的血液。确保电解液充分均匀地渗透到锂电池内部是一项关键挑战。因此,注入过程是直接影响电池性能的关键步骤。
注入过程涉及在组装后将电解液定量注入电池单元。该过程可分为两个步骤:第一步是将电解液注入电芯内部,第二步是确保注入的电解液充分渗透到电芯内的电极片和隔板中。浸泡过程的持续时间会影响锂离子电池的生产成本。在此过程中,过度注入电解液会导致电池膨胀,导致电池厚度不均匀。不足电解质注射可能导致电池容量和循环寿命降低。不均匀的电解液注入会导致电池容量和循环性能不一致。

如图 1 所示,在商用电池的组装过程中,电解液通过计量泵注入密封室。将电池放置在注射室中,然后真空泵在电池内部产生真空环境。将喷油嘴插入电池的喷油口,打开电解液注入阀,同时使用氮气将电解液室加压至 0.2-1.0 MPa。压力保持一段时间,然后将注射室排放至大气压。最后,将电池静置很长时间(12-36 小时),让电解液完全渗入正负极材料和隔膜。注射完成后,将电池密封。理论上,电解质会从电池顶部渗透到隔膜和电极中。然而,在现实中,大量的电解液向动并积聚在电池底部,然后通过毛细管压力渗透到隔膜和电极的孔中,如图 2 所示。
通常,隔膜由孔隙率相对较高的多孔亲水材料制成,而电极由由各种颗粒组成的多孔介质组成。通常认为,与电极相比,电解质以更快的速度渗透到隔膜中。因此,电解液的流动过程应首先穿透隔膜,然后渗透到电极中,如图 2 所示。

在电极中活性材料的大颗粒之间,形成较大的孔隙,这些孔隙通过两个平行颗粒之间的狭窄通道相互连接。电解质首先聚集在这些孔内,然后扩散到附近的喉咙中。因此,电解质的润湿率主要由连接互连孔的喉部和孔隙体积控制。如图 3 所示,α孔由四个颗粒组成,通过四个喉部与周围的孔相连,而β孔由三个颗粒组成,通过三个喉部与周围的孔部相连。

如图 4 所示,电解质在电极孔内的扩散机制可以被认为是三种力之间的相互作用:电解质流的压力 (Fl)、表面张力产生的毛细管力 (Fs) 和孔内空气的阻力 (Fg)。在注入过程中,在电池内产生真空可降低滞留空气引起的阻力,而对电解液加压可增强液体流动的驱动力。因此,真空和压力注入相结合有利于电解液的渗透。

电解质的毛细管运动可以用 Washburn 方程来描述。

变量 “h” 表示时间 “t” 处的液体渗透高度,“r” 表示毛细管的半径,“γlv” 表示液气表面张力,“θ” 表示接触角,“Δρ” 表示密度差,“η ”表示粘度。由此可见,电解液的粘度,以及电极的润湿接触角和表面张力特性,都对渗透过程有影响。
电解质渗透是指在电极孔内置换空气的过程。由于多孔结构内孔径和形状的随机分布,可能会发生不同的电解质渗透速率,导致空气在集流体附近积聚,被周围环境的电解质包围,并被困在电极内。电解质浸润的饱和度始终小于 1。虽然几乎所有的大空隙都充满了电解质,但仍存在许多小空隙。这些小空隙代表固体颗粒捕获的残余空气。因此,提高渗透水平的关键是尽可能减少此类残留空气。
总之,注入过程直接影响锂离子电池的性能。通过使用注入设备将预定量的电解液精确注入电芯中,可以有效解决注入不均匀的技术难题。因此,注射设备可以被认为是在注射过程中实现适当注射效果的关键因素。