关于锂离子电池注液和浸润过程模型化分析

1.  模型介绍

 

 

Thomas Knoche的模型结构可以分为三步，构建模型的第一步主要为细分注液过程。注液过程的影响因素可以细分为“产品设计”、“注液设备”、“工艺特性”、“注液设备”，以及“产品质量”和“工艺质量”几部分。其中“产品设计”又可以继续细分为几个更加具体的部分，特别是当这个几个部分工作机理不同时，更应该进行详细的划分，例如对于锂离子电池注液过程，电池设计可以分为“电池结构”和“电池材料”两大部分，其中“电池结构”代表的是电池的宏观结构，“电池材料”则代表电池材料的物理和化学特性。“设备”和“工艺实施”则代表了生产过程对于电池特性的影响。“工艺现象”是这一层模型的核心，因此“工艺现象”描述了其他不同部分之间的因果关系。最终上述的输入因素都会最终反映在输出“产品质量”和“工艺质量”上。

 

 

 

2.模型应用

2.1  注液工艺

锂离子电池的注液和浸润可以细分为多个步骤——注液、密封和浸润，以及各个步骤之间的准备工作等。根据上面的的构建模型的方法，锂离子电池的注液和浸润过程可以由下图表示，下图中的箭头表明了注液过程各个因素之间的因果关系。从图上可以看到，注液过程主要受到注液系统和体系压力两个因素的影响。而体系压力会对电池注液准备、注液、密封前浸润和密封后浸润等过程产生影响，可见体系压力是电池体系注液和浸润过程最重要的影响因素。

 

 

 

目前的常见的注液方式主要分为两类，一种是通过注液孔直接注液（最主流的方式），另外一种是将电池放入到电解液之中让电解液渗入电池。通过注液孔注液的方式，根据注液量又可以分为单倍注液和多倍注液（受到电池结构和批次的影响）。几种注液方式促进浸润的措施各有不同，其中单倍注液方法，通过反复的抽压的方式促进电解液在电芯内的浸润，而多倍注液方法是通过加压的方式促进电解液在电芯内浸润，浸入式注液则没有促进浸润的措施。

 

 

 

2.2 注液设备

注液和浸润用到的设备，以及设备之间相互的因果关系如下图所示。可以看到注液设备主要由三部分组成：1）注液设备；2）压力控制设备，真空设备和加压设备；3）电池固定结构。

 

 

 

2.3 工艺特性

影响电池注液和浸润的因素如下图所示，它们之间的因果关系如箭头所示。锂离子电池的注液主要受到电池结构、电池材料和注液工艺的影响。

 

 

 

2.4 产品设计

产品设计这一部分可以分为两大部分：1）电池材料选择；2）电池结构设计。不同的材料具有不同的物理和化学特性，因此锂离子电池的材料选择决定了电解液的浸润速度，如电解液的粘度、表面张力，多孔材料的微孔结构，电解液和正负极材料的接触角等特性都会对电池的浸润性产生影响。电解液在浸润到电芯之前，会首先存储在锂离子电池的外壳之中，因此电池的结构（方形或者圆柱、硬壳或者软包、叠片或者卷绕）都会对电解液的浸润产生一定的影响。