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前 言

血淤是指中醫(yī)辨證中的一種證型。血淤即血液運(yùn)行不暢，甚至瘀滯不通的狀態(tài)，阻滯于經(jīng)脈及臟腑內(nèi)，血淤會(huì)使患者出現(xiàn)皮疹紫暗、舌質(zhì)紫暗，甚至?xí)鹉X血栓、冠心病等疾病。在電芯中，電解液即為電芯的“血液”，當(dāng)其無法充分浸潤(rùn)電芯內(nèi)部并順暢流通時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)“血淤”現(xiàn)象，從而影響電芯的各方面性能。  

電解液浸潤(rùn)程度是影響鋰離子電池動(dòng)力學(xué)、循環(huán)壽命和安全可靠性等性能的關(guān)鍵因素之一，良好的浸潤(rùn)效果可以在固液之間形成一個(gè)均勻的、有利于電化學(xué)反應(yīng)的界面，減小正負(fù)極材料與電解液之間的界面電阻。這種界面有助于（Solid Electrolyte Interface）SEI膜的生成，從而提升電芯的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性[1-3]。若電解液的浸潤(rùn)效果不理想，會(huì)使得充放電過程中鋰離子的傳輸路徑變遠(yuǎn)，降低鋰離子在正負(fù)極之間的穿梭效率，影響電芯的動(dòng)力學(xué)性能。不完全浸潤(rùn)可能會(huì)出現(xiàn)活性物質(zhì)剝離、鋰枝晶生長(zhǎng)等問題，這些會(huì)導(dǎo)致電芯內(nèi)阻增加和容量降低，加速電芯的老化過程，更嚴(yán)重的可能使電芯在充放電過程中出現(xiàn)局部過熱，引起熱失控導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸等安全問題（圖1）。

圖1.電芯熱失控

電解液浸潤(rùn)改善方案

針對(duì)電解液浸潤(rùn)不良的問題，可通過調(diào)整電解液配方，修改電芯生產(chǎn)工藝參數(shù)等方案進(jìn)行改善：       

電解液配方改善：電解液的化學(xué)成分和物理狀態(tài)（如溶劑、溶質(zhì)、粘度和表面張力等）會(huì)影響其浸潤(rùn)電極的能力[4]。當(dāng)電解液與正負(fù)極，隔離膜材料不適配時(shí)，電解液與材料表面的接觸角θ會(huì)比較大（圖2），二者之間的相互作用力較小，電解液無法充分浸潤(rùn)整個(gè)材料。因此，研發(fā)人員通常會(huì)通過調(diào)整溶劑、溶質(zhì)或者加入某些特定的添加劑來改善電解液與電極材料的相容性，從而提高電解液的浸潤(rùn)能力，提升電芯壽命。

圖2.電解液與極片的接觸角示意圖       

前工序工藝改善：不同形貌、粒徑的正負(fù)極材料，導(dǎo)電碳和粘結(jié)劑等對(duì)電解液的浸潤(rùn)效果不同。通常材料的比表面積越大，電解液的滲透速率越快，滲透程度越好。所以針對(duì)不同材料，需要調(diào)整相應(yīng)的電芯生產(chǎn)工藝參數(shù)，確保電解液的充分浸潤(rùn)。  

在極片層級(jí)：壓實(shí)密度會(huì)直接影響到電解液的浸潤(rùn)程度。雖然提高壓實(shí)密度可以降低電芯內(nèi)阻并提升電芯的體積能量密度，但當(dāng)極片的壓實(shí)密度過大時(shí)，極片內(nèi)部的孔隙率會(huì)降低，這不利于電解液的浸潤(rùn)和滲透。因此 需要調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲簩?shí)密度，在得到低阻抗的同時(shí)，保證電解液的充分浸潤(rùn)。       

在裸電芯層級(jí)：裸電芯極片、隔離膜的卷繞張力以及熱壓定型程度也會(huì)影響電解液的浸潤(rùn)（圖3）。當(dāng)裸電芯卷繞熱壓過緊時(shí)，極片與隔離膜的間隙很小，電解液無法充分浸潤(rùn)到電芯內(nèi)部，容易導(dǎo)致電芯在循環(huán)過程中出現(xiàn)中部紫斑，析鋰等問題。當(dāng)裸電芯結(jié)構(gòu)較為松散時(shí)，一方面會(huì)導(dǎo)致裸電芯入殼困難，循環(huán)過程中出現(xiàn)電芯變形等異常，另一方面會(huì)使得正負(fù)極、隔離膜之間的間隙增加，導(dǎo)致電解液無法均勻分布在電芯中，進(jìn)而影響到電芯的性能。

圖3.(a)裸電芯示意圖，(b)熱壓前(c)熱壓后裸電芯橫截面示意圖       

注液工藝改善：改善電解液浸潤(rùn)效果最常規(guī)的一種辦法是調(diào)整注液工藝。從注液方式，注液后靜置溫度和時(shí)間，注液條件等方面可以有效改善電解液的浸潤(rùn)效果。例如，通過真空注液能夠改善鋰離子電池的電解液浸潤(rùn)性。在真空條件下進(jìn)行注液，不僅有利于排出電芯內(nèi)的氣體，還能夠減少氣體對(duì)電解液注入的阻力，讓電解液與極片直接接觸，從而減少浸潤(rùn)時(shí)間，提升浸潤(rùn)程度。注液后通常會(huì)進(jìn)行高溫靜置，在高溫條件下電解液能夠更好地滲透到電芯內(nèi)部以及電極材料的孔隙中，提高電解液與電極的接觸面積和反應(yīng)活性。

電解液浸潤(rùn)測(cè)試系統(tǒng)

基于電解液浸潤(rùn)對(duì)于電芯的重要性，元能科技（廈門）有限公司開發(fā)出電解液浸潤(rùn)測(cè)試系統(tǒng)，可量化不同電解液在不同極片，裸電芯間的浸潤(rùn)差異，為電解液浸潤(rùn)評(píng)估提供了一種有效手段。       

電解液毛細(xì)浸潤(rùn)系統(tǒng)：圖4a為毛細(xì)管浸潤(rùn)法的原理示意圖。在毛細(xì)管內(nèi)注入電解液，毛細(xì)玻璃管與極片表面垂直接觸后，隨著電解液不斷浸潤(rùn)涂層，毛細(xì)管液面不斷降低。視覺識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄毛細(xì)管液面高度，液面高度的動(dòng)態(tài)演變過程就是電解液浸潤(rùn)實(shí)時(shí)過程，高度變化量即電解液的浸潤(rùn)量。如圖4b所示，樣品1在50s和100s時(shí)電解液的液面下降值均明顯大于樣品2，這說明電解液在樣品1中浸潤(rùn)能力更好。

圖4.(a)毛細(xì)管浸潤(rùn)法原理示意圖，(b)不同負(fù)極的毛細(xì)管浸潤(rùn)曲線       

電解液重量浸潤(rùn)系統(tǒng)：圖5a為重量浸潤(rùn)法的原理示意圖。將極片/裸電芯懸掛在相應(yīng)的天平下，浸潤(rùn)在電解液中，隨著時(shí)間增加，電解液會(huì)向上攀爬，此時(shí)通過天平的重量變化可以實(shí)時(shí)表征極片、裸電芯的電解液浸潤(rùn)量和浸潤(rùn)速率。對(duì)不同壓實(shí)密度的極片進(jìn)行了測(cè)量，其中樣品A的壓實(shí)密度小于樣品B，從測(cè)量結(jié)果上看（圖5b），樣品A的浸潤(rùn)K值大于樣品B，即壓實(shí)密度越大電解液的浸潤(rùn)性越差。

圖5.(a)重量浸潤(rùn)法原理示意圖，(b)不同壓實(shí)密度極片的重量法浸潤(rùn)曲線 

電解液高度浸潤(rùn)系統(tǒng)：圖6a為高度浸潤(rùn)法的原理示意圖。將極片豎放并浸潤(rùn)在電解液中，通過搭載高精度視覺采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄電解液在極片中的浸潤(rùn)高度從而實(shí)時(shí)表征電解液的浸潤(rùn)速率。圖6b為不同負(fù)極極片的高度法測(cè)量結(jié)果，從結(jié)果上看高度法同樣可區(qū)分出不同極片的電解液浸潤(rùn)差異。

圖6.(a)高度浸潤(rùn)法原理示意圖，(b)不同負(fù)極的高度法浸潤(rùn)曲線

總 結(jié)

“血淤”現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電芯出現(xiàn)黑斑、鋰枝晶生長(zhǎng)、內(nèi)阻增加、容量跳水，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)電芯局部過熱，引起熱失控導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸等安全問題。因此，評(píng)估電解液的浸潤(rùn)效果是電芯體系研發(fā)，工藝生產(chǎn)中需要關(guān)注的核心之一，通過元能科技開發(fā)出電解液浸潤(rùn)測(cè)試系統(tǒng)，可以從極片和裸電芯層級(jí)評(píng)估電解液的浸潤(rùn)能力，從而為電解液設(shè)計(jì)，電芯生產(chǎn)制造工藝提供一定的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭洪河等編著. 鋰離子電池電解質(zhì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.01.

[2] Wang B L, Wang J P, Zhang L, et al. Adsorptive Shield Derived Cathode Electrolyte Interphase Formation with Impregnation on LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 Cathode: A Mechanism-Guiding-Experiment Study[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024:16, 38, 50747–50756.

[3]張雙虎.鋰離子電池的電解液浸潤(rùn)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)世界,2021,62(03):129-136.

[4] Yao N, Yu L, Fu Z H, et al. Probing the origin of viscosity of liquid electrolytes for lithium batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2023: e202305331.