锂电池极片真空干燥工艺探析

锂电池极片真空干燥工艺探析

彭全茂

身份证号码：362502198807207038

摘要：锂电池极片中的含水量对锂电池电能容量以及电量循环特性以及电池的使用寿命产生重要影响，因此，在锂电池极片生产制造环节中，应利用科学有效的极片干燥处理工艺技术对极片中的含水量进行干燥控制。当前锂电池极片干燥工艺参数的控制主要是通过人工设计和操作，为了能够达到理想的极片干燥效果就需要对现有的干燥工艺进行调整和优化，提高极片干燥的速率。本文重点分析了锂电池极片真空干燥工艺以及对极片干燥产生影响的因素，并通过实例分析了干燥工艺优化调整后的操作流程。

关键词：锂电池；极片；干燥工艺

前言

随着我国提出节能降耗的发展政策，清洁能源的使用率不断的提高，锂电池的生产量不断的增加，锂电池极片含水量是影响电池性能和使用寿命的关键因素，为了能够进一步提升锂电池的使用性能，需要对锂电池极片干燥工艺开展更为深入的研究，这样才能满足锂电池极片干燥效率提升的具体要求，降低锂电池极片转序期间产生环境污染的风险。

一、锂电池极片真空干燥工艺分析

锂电池在生产制造过程中，需要对极片进行干燥处理，常用的干燥设备有真空干燥箱。它的主要结构是由箱体和加热系统以及真空泵和温度操控系统构成的。箱体是通过碳钢板材料或者不锈钢焊接成型的，并且箱体内外层通过保温棉进行填充。箱体外部四周使用加热管进行环绕，并利用硅胶密封条对箱体四周进行密封处理。将需要干燥的锂电池极片放入到料盒后，还需要将其放置在能够实现自由移动的托架上，然后再送入到事先准备好的干燥箱工作室中。真空干燥箱在应用过程中需要直接向箱体工作室内抽真空处理，或者进行充氮处理，利用电磁阀对充气量进行控制[1]。

此种锂电池极片干燥工艺属于传统的方法，在使用过程中真空干燥箱也出现了弊端，主要体现在以下方面：首先，干燥箱的工作室空间较大，在进行加热处理过程中内部温度控制难度较大，致使温度出现不均匀的情况；其次，干燥箱箱门规格和尺寸设计较大，并且密封接触的总面积过长，无法确保干燥室内的密封保温效果，在工作期间无法达到10Pa 以下的真空状态。基于此，需要对传统的干燥工艺进行优化和改造，对干燥箱体结构设计进行调整，并通过增加真空腔结构，将锂电池极片放置在真空腔内开展抽真空处理，可以有效提升极片加热期间温度的均衡性，达到预期的极限真空状态，提高极片的干燥效率。

二、极片真空干燥工艺影响因素

（一）温度因素

通过对干燥工艺以及干燥设备在实际应用期间所能够承受的温度极限情况，将干燥温度控制在85℃到100℃期间，并确保干燥室内的真空度(200Pa)不变，并对不同温度下的极片干燥工艺效果进行分析。通过仿真试验分析结果来看，可以得到随着干燥时间的不断延长，在不同温度下极片干燥的速率在不断的降低[2]。通过分析认为在高温环境下，极片水分含量会出现明显的下降，到最后达到稳定的状态，因此，产生的变化幅度相对较小，进而导致干燥速率出现明显降低。但在低温环境下极片水分含量会呈现出缓慢下降的趋势，后期会存在少部分水分残留，变化幅度也具有稳定性。从极片干燥全过程来看，高温环境下极片平均干燥速率显著大于低温环境。因此，得出高温环境能够有效提升极片真空干燥的特性，进一步提升真空干燥速率，缩短干燥时间。

（二）真空度因素

在锂电池极片干燥过程中，在温度保持在85℃的环境下，将真空度设置为不同的数值，对极片平均含水量数值的变化规律进行分析，从具体的分析结果可以看到，真空度对极片含水量产生非常重要的影响。具体体现在：在干燥温度和干燥时间保持稳定的情况下，真空度越低，极片的含水量则越少。主要是由于真空度是导致极片表面与周围环境对流扩散的重要因素，真空度越低，周围环境的对流传质系数则越大，进而增加了极片表面水分向周围蒸发的速度。虽然温度也能够对流传质系数产生一定的影响，但是从整体上来说影响程度小于真空度。

（三）极卷因素

锂电池极片在生产过程中是通过将极卷卷成大卷的方式后在真空干燥箱中进行干燥处理，所以，在分析过程中应考虑到极卷对极片真空干燥产生的影响。因为极卷的体积较大，涉及到很多层，在进行仿真试验的过程中难度较大。所以需要进行简化处理后进行干燥处理，将极卷设定为三层并分析其干燥特性。在仿真试验过程中，需要对极卷干燥工艺参数进行设置，包括加热温度和真空度数值等，选择特定的干燥时间，对极卷干燥的结果进行分析。在铝箔水分没有发生变化的情况下，仅对极片材料水分的分布进行分析。从具体的分析结果来说，内外侧极片干燥的速度较快，水分含量下降明显，而中间极片材料干燥的速度相对较慢[3]。主要是由于极卷外层能够与周围环境直接接触，并且接触的整体面积较大，水蒸气能够快速的扩散到室环境中，而中间极片材料相比外层接触面积小，水分不易蒸发。因此得出，在同等温度和真空度环境下，极卷中间层干燥的速度较慢。

三、锂电池极片真空干燥工艺实例分析

将2亿瓦时叠片式锂电池生产线工艺作为研究对象，对极片干燥工艺进行分析。在模切机下料后，极片会自动收集在事先准备好的不锈钢料盒中，经过物流线操作和装盘装置，将装满极片料盒放置在托盘当中，然后在再将托盘推入到真空室内，每个真空室内能够放置两层托盘。真空腔内侧壁为了能够实现操作的便利性，安装了陶瓷轴承，能够为托盘的进出提供方便。真空室内使用正面平开。真空室内背面增设了管路阀门，直接与烘干箱的氮气管路直接相连，并通过烘干箱上安装的挡板阀对真空度进行控制。干燥箱加热利用顶部送风的方式，侧面和底面回风的方式。加热管需要设置在烘箱侧面的夹层内，在操作过程中利用调节出风口大小的方式，对回风道的进行设计，在实际应用过程中能够保证干燥箱内部的真空腔处于均匀加热的状态。将装满极片的真空腔推进干燥箱内，然后再将烘干箱内部的管路进行软连接。操作人员对烘干箱内部控制面板进行操作，达到干燥箱抽真空和充氮加热的需求。在干燥过程中，主要操作流程包括干燥箱升温和恒温以及降温处理三个主要阶段。在升温阶段，需要向干燥箱内部进行充氮作为导热介质，达到快速加热极片的目的。升温阶段过后，干燥箱内的温度均匀性保持在特定值范围。在恒温阶段，能够将极片加热至120℃，在进行抽真空处理后，使极片处于高温及10Pa的真空环境中，极片中的含水量快速下降[4]。在降温阶段，极片干燥后的温度会下降到60℃左右，为极片的运输和叠片提供便利。通过以上锂电池极片干燥工艺处理后，实现了预期的干燥效果。

结束语：

随着锂电池需求量的不断提高，锂电池生产量不断的增多，在锂电池生产制造过程中，为了满足锂电池的使用性能，需要对锂电池极片进行干燥处理，使其能够在较短的时间内实现干燥速率的提升，这就需要对传统的极片干燥处理工艺进行优化和调整，达到理想的锂电池极片干燥效果，提升锂电池的性能和使用寿命。

参考文献：

[1]Xiao Yanjun,肖艳军,Yang Huan,等.锂电池极片中NMP回收系统的红外辐射研究[C]//中国仪器仪表学会.中国仪器仪表学会,2017.

[2]陈育新,杨家沐,李东博,等.圆柱形锂离子电池真空干燥过程的数值模拟[J].储能科学与技术,2023,12(6):1957-1967.

[3]王能河,李徐佳,吴显峰,等.锂电池负极极片涂层干燥过程仿真分析[J].电源技术,2020,44(1):4.

[4]田清泉王静怡武利娜胡苗刘甜张亚雄.锂电池极片涂布热风干燥技术研究进展[J].当代化工,2022,51(9):2177-2182.