锂电注液工艺及其设备解析！

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锂电那些事 今日第三条 2023年11月23日 星期四

锂电池电解液作用就是正负极之间导通离子，担当充放电的介质，就如人体的血液。如何让电解液充分而均匀的浸润到锂电池内部，成为重要的课题。因此，注液工艺是非常重要的过程，直接影响电池的性能。

注液工序就是在电芯组装之后，将电池的电解液定量注入电芯中，其工艺可分为两个步骤，第一步是将电解液注入电芯内部，第二步则是将注入的电解液与电芯内极片、隔膜充分浸润，浸润时长会影响锂离子电池生产成本。而在这个过程中， 注液量过多容易引起电池起鼓，造成电池厚度不均，注液量过少会导致电池容量和循环次数减少，而注液量不均匀则会导致电池容量和循环性能产生一致性差异。

图1  真空-加压注液示意图

如图1所示，在商业电池组装的过程中，电解液通过定量泵注入密封腔室内，将电池放入注液室，然后真空泵对注液室抽真空，电池内部也形成了真空环境。然后注液嘴插入电池注液口，打开电解液注入阀，同时用氮气加压电解液腔室至0.2-1.0Mpa，保压一定时间，注液室再放气到常压，最后长时间静置（12-36h），从而让电解液与电池正负材料和隔膜充分浸润。当注液完成后，将电池密封，电解液理论上会从电池顶部渗入到隔膜和电极中，但实际上大量的电解液向下流动聚集在电池底部，再通过毛细压力渗透到隔膜和电极的孔隙中，如图2所示。

通常，隔膜由多孔亲水材料组成，孔隙率一般比较大，而电极由各种颗粒组成的多孔介质。普遍认为，电解液在隔膜中的渗透速度比在电极中更快，因此，电解液的流动过程应该是先渗透到隔膜，随后穿过隔膜渗透到电极中，如图2所示。

图2 电解液浸润电芯示意图

在电极中，三个或四个大的活性物质颗粒之间形成较大的孔腔，而孔腔之间通过两个平行颗粒之间的狭长通道联通，电解液先在孔腔内汇聚，然后扩散到附近的喉部。因此，电解质的润湿速率主要受联通孔腔之间的喉咙和孔腔体积控制。如图3所示，α孔腔由四个颗粒组成，与周围孔腔通过四个喉道联通，β孔腔由三个颗粒组成，与周围孔腔通过三个喉道联通。

图3  电极内孔腔结构示意图

如图4所示，电解质在电极孔隙中扩散的机理可看作是三种力之间的相互作用：来自电解质流动的压力Fl，由于表面张力Fs而产生的毛细管力，以及孔中空气产生的阻力Fg。注液时，对电池抽真空可以降低空气产生的阻力，而对电解液加压注入则可以增加液体流动的驱动力。因此，抽真空-加压注液有利于电解液的浸润。

图4  电解液在孔隙内扩散动力学示意图

对于电解液的毛细管运动，可由Washburn方程描述：

h为时间t时的液体渗透高度，r为毛细管半径，γlv液气表面张力，ϑ接触角， Δρ 密度差， η粘度。由此可见，电解液的粘度，与电极的润湿接触角，表面张力等特性对浸润过程都会有影响。

电解液浸润就是在电极孔隙内驱赶空气的过程，由于孔隙结构的尺寸和形状随机分布，往往会出现电解液浸润速率不同，从而导致空气聚集在集流体附近，被四周的电解液包围，陷在电极中，电解液浸润饱和程度总是小于1。几乎所有大空隙都填充电解液了，但许多地方都存在着小空隙，小空隙代表被固体颗粒包围的空气残留。因此，如何尽量减少这种空气残留就是提高浸润程度的关键。

综上所述，注液会直接影响到锂离子电池的性能。通过注液设备将定量电解液注入电芯中，可以很好地解决注液工序中注液不均的技术难题。因此注液设备可以说是注液工序中实现良好的注液效果的关键因素。

而在注液机的工作过程中， “注液效率低”、“高漏率”、”“注液口结晶”、“注液泵卡泵”、“占地面积大” 可以说是电池厂商一定会经历几大难题了。

关注行业普遍痛点，敏锐捕捉市场趋势，三一技术装备通过技术创新和设备升级，采用数字孪生技术，自主开发高效流转路径，充分发挥各部件能耗，通过有限元仿真等技术，创新推出了效率更高、可靠性更强的新一代注液机。

三一注液机，设备单机产能大， 生产效率可达24PPM，注液精度≤0.5%，单机良率≥99.9%，占地面积较行业平均水平减少50% ，可实现稳定连续注液、打钉，高安全、高质量、高效率。

然而在试生产过程中，其实也碰到了上文提到的5大痛点，三一技术装备迎难而上，主动攻克，通过多次高成本的试错与技术的不断创新迭代，现已形成了一对一针对性解决方案，全面提升产品竞争力。

01  注液效率低

1. 采用 等压静置循环工艺 ，静置腔内托盘采用三层叠放布置，最大耐压1.5MPa高正压，比目前市场同类产品静置时间缩短30%。

2.  直线式多工位布局 ，注液时间可按需自由设置，注液范围0-300g可调，能同时兼容128pc电池注液， 效率可达24PPM 。

02  高漏率

1. 采用 分布式管路布置 ，大幅减少管路接口，彻底解决管路泄露问题。

2. 测漏、注液分离，确保密封圈”0污染”，极大改善了测漏误判问题。

3. 分布式测漏技术，电池受力更均衡，确保测漏“0误判”。

03  注液口结晶

设备配置 注液管路一键自动清洗 ，注液嘴DMC雾化清洁， 残液自动收集功能 ，易操作易维护。

1. 莲蓬式仿形擦拭头，电池注液口大面和台阶面同步清洁。

2. 无纺布张力自动调整，收、放卷步长智能控制。

3. DEC量精准控制，防止污染电池。

04  注液泵卡泵

1. 采用 注液管路双通道设计 ，生产时可快速排出气泡，待机时电解液内循环可有效防止结晶卡泵。

2. 注液泵与注液杯为 一对一注液 ，取消管路换向阀，无换向阀卡滞困扰。

05  占地面积大

采用 颠覆式托盘流转方案 ，直线式多工位布局，结构精简紧凑，一次注液机面积仅90㎡左右，二次注液机面积仅30㎡左右，等效情况下占地面积较行业平均水平 减少50% ，进而大大降低了企业的人工、能耗等运营投入。

三一注液机聚焦行业五大痛点，赋能电池注液工序提质增效，助力客户打造具有竞争力的电池产品。

             

             

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