O papel do eletrólito da bateria de lítio é facilitar a condução de íons entre os eletrodos positivo e negativo, servindo como meio de carga e descarga, assim como o sangue no corpo humano. Garantir que o eletrólito permeie total e uniformemente o interior da bateria de lítio é um desafio crítico. Portanto, o processo de injeção é uma etapa crucial que afeta diretamente o desempenho da bateria.
O processo de injeção envolve a injeção quantitativa de eletrólito na célula da bateria após a montagem. O processo pode ser dividido em duas etapas: a primeira etapa é injetar o eletrólito no interior da célula e a segunda etapa é garantir que o eletrólito injetado permeie totalmente as folhas de eletrodo e o separador dentro da célula. A duração do processo de imersão pode afetar o custo de produção das baterias de íons de lítio. Durante esse processo, a injeção excessiva de eletrólito pode causar inchaço celular, resultando em espessura irregular da bateria. Insuficienteinjeção de eletrólitospode levar à redução da capacidade da bateria e do ciclo de vida. A injeção não uniforme de eletrólitos pode resultar em capacidade inconsistente da bateria e desempenho cíclico.
Conforme mostrado na Figura 1, durante o processo de montagem de baterias comerciais, o eletrólito é injetado na câmara selada por meio de uma bomba dosadora. A bateria é colocada na câmara de injeção e, em seguida, uma bomba de vácuo cria um ambiente de vácuo dentro da bateria. O bico de injeção é inserido na porta de injeção da bateria, a válvula de injeção de eletrólito é aberta e o gás nitrogênio é usado simultaneamente para pressurizar a câmara de eletrólito a 0,2-1,0 MPa. A pressão é mantida por um determinado período e, em seguida, a câmara de injeção é ventilada à pressão atmosférica. Finalmente, a bateria é deixada em repouso por um longo tempo (12-36 horas), permitindo que o eletrólito se infiltre totalmente nos materiais positivos e negativos e no separador. Após a conclusão da injeção, a bateria é selada. Teoricamente, espera-se que o eletrólito permeie da parte superior da bateria para o separador e os eletrodos. No entanto, na realidade, uma grande quantidade de eletrólito flui para baixo e se acumula na parte inferior da bateria e, em seguida, penetra nos poros do separador e dos eletrodos através da pressão capilar, conforme mostrado na Figura 2.
Normalmente, os separadores são feitos de materiais hidrofílicos porosos com porosidade relativamente alta, enquanto os eletrodos são compostos de meios porosos que consistem em várias partículas. Geralmente, acredita-se que o eletrólito permeia o separador a uma taxa mais rápida em comparação com os eletrodos. Portanto, o processo de fluxo do eletrólito deve primeiro penetrar no separador e depois permear os eletrodos, conforme mostrado na Figura 2.
Entre as grandes partículas dos materiais ativos no eletrodo, poros maiores são formados, e esses poros são interconectados por meio de canais estreitos entre duas partículas paralelas. O eletrólito primeiro se reúne dentro desses poros e depois se difunde nas gargantas próximas. Portanto, a taxa de umedecimento do eletrólito é controlada principalmente pelas gargantas e volumes de poros que conectam os poros interconectados. Conforme mostrado na Figura 3, os poros α são compostos de quatro partículas e estão interconectados com os poros circundantes através de quatro gargantas, enquanto os poros β são compostos de três partículas e estão interconectados com os poros circundantes através de três gargantas.
Conforme mostrado na Figura 4, o mecanismo de difusão do eletrólito dentro dos poros do eletrodo pode ser considerado como a interação entre três forças: a pressão do fluxo do eletrólito (Fl), a força capilar gerada pela tensão superficial (Fs) e a resistência do ar aprisionado dentro dos poros (Fg). Durante o processo de injeção, a criação de um vácuo dentro da bateria reduz a resistência causada pelo ar preso, enquanto a pressurização do eletrólito aumenta a força motriz do fluxo de líquido. Portanto, a combinação de injeção de vácuo e pressão é benéfica para a infiltração do eletrólito.
O movimento capilar do eletrólito pode ser descrito pela equação de Washburn.
A variável "h" representa a altura de penetração do líquido no tempo "t", "r" denota o raio do capilar, "γlv" representa a tensão superficial líquido-gás, "θ" representa o ângulo de contato, "Δρ" representa a diferença de densidade e "η" representa a viscosidade. Pode-se ver a partir disso que a viscosidade do eletrólito, bem como o ângulo de contato de umedecimento e as características de tensão superficial do eletrodo, têm impacto no processo de infiltração.
A infiltração de eletrólitos refere-se ao processo de deslocamento de ar dentro dos poros do eletrodo. Devido à distribuição aleatória de tamanhos e formas de poros dentro da estrutura porosa, podem ocorrer diferentes taxas de infiltração de eletrólitos, levando ao acúmulo de ar próximo ao coletor de corrente, cercado por eletrólitos do ambiente e preso dentro do eletrodo. O nível de saturação da infiltração de eletrólitos é sempre inferior a 1. Embora quase todos os grandes vazios sejam preenchidos com eletrólitos, ainda existem numerosos pequenos vazios presentes. Esses pequenos vazios representam o ar residual preso por partículas sólidas. Portanto, a chave para melhorar o nível de infiltração é minimizar ao máximo esse ar residual.
Em resumo, o processo de injeção afeta diretamente o desempenho das baterias de íons de lítio. Ao usar o equipamento de injeção para injetar com precisão uma quantidade predeterminada de eletrólito na célula da bateria, o desafio técnico da injeção irregular pode ser resolvido de forma eficaz. Portanto, o equipamento de injeção pode ser considerado um fator chave para obter um efeito de injeção adequado durante o processo de injeção.
