探究锂电池电芯烘烤：如何避免盲目性以确保质量

探究锂电池电芯烘烤：如何避免盲目性以确保质量

中国科技期刊数据库 行业 A 2019年5月 75 锂离子电池单体真空烘烤过程中热传导与水分蒸发机理研究 王亚伟 河北省 兴台市 摘要：锂离子电池单体在灌装前需进行真空烘烤除湿，但在实际烘烤工作中，无法真实测量电池单体的水分含量及温度变化，因此烘烤时间和工作温度的选择存在盲目性，容易影响电池单体质量，甚至报废。 关键词：锂电池单体；水分蒸发；烘烤；中图分类号：TM912 文献标识码：A 引言 随着经济全球化进程和化石燃料的大量使用，环境污染、能源短缺问题日益突出。 为减少化石燃料使用过程中的污染，发展风、光、电等可持续可再生能源、新型动力电池和高效储能系统，实现可再生能源的合理配置和功率调节，对提高资源利用效率、解决能源危机、保护环境具有重要的战略意义。1锂离子电池的工作原理锂离子电池主要由能发生可逆嵌脱反应的正极材料、负极材料、能传输锂离子的电解液和隔膜等组成。充电时，锂离子从正极活性物质中释放出来，在外界电压的驱动下，通过电解液迁移到负极并嵌入负极活性物质中。同时电子通过外电路从正极流向负极。电池处于负极富锂、正极贫锂的高能状态，实现电能向化学能的转化。 放电时，锂离子从负极脱嵌，迁移至正极，并嵌入活性物质晶格中，外电路中的电子由负极流向正极形成电流，实现化学能向电能的转化。

若以为正极，以石墨化碳材料为负极，则锂离子电池表达式为： 正极反应为： 负极反应为： 电池总反应为： 2锂离子电池的特点锂离子电池之所以能得到迅速发展，是因为它与铅酸电池（lead acid）、镍镉电池（Cd/Ni）和镍氢电池（MH/Ni）相比具有优越的性能。锂离子电池的性能优势主要有： （1）比能量高。锂离子电池的质量比能量是镍镉电池的2倍以上，是铅酸电池的4倍，也就是说，在同样的储能条件下，体积只有镍镉电池的一半。因此，采用锂离子电池可以使便携式电子设备做得更小、更轻。 （2）工作电压高。 一般单体锂离子电池的电压在3.6V左右，有的甚至可达4V以上，是镍镉电池和镍氢电池的3倍，铅酸电池的2倍。（3）循环寿命长，80%DOD（放电深度）可充放电1200次以上，大大高于其它电池，长期使用经济实惠。（4）自放电率低，一般月平均放电率在10%以下，不到镍镉电池和镍氢电池的一半。（5）电池无环境污染，被称为绿色电池。（6）加工灵活性好，可制成各种形状的电池。 当然，锂离子电池也存在一些亟待解决的问题，例如锂离子电池的内阻较大，工作电压变化较大，某些电极材料(如)价格较高，充电过程中需要保护电路防止过充等。

3 烘烤结构及工作原理将需要烘烤的锂电池垂直放入电池台车的支架内，支架分为两排，电池台车放在推板上，推板气缸将电池台车推至烘烤炉前端。电池台车由传动电机推入烘烤炉内，门窗由推拉气缸驱动，门窗通过铰链支撑连接可沿导轨垂直移动，控制门窗的开启和关闭。电池台车推入烘烤炉后，关闭门窗。烘烤炉内部抽真空后，向进气管内充入热氮气对锂电池进行烘烤，同时冷氮气通过出气管排出，排出的氮气经二次加热后可再次进入进气管。烘烤结束后，由同一装置将电池台车拉出烘烤炉。 圆柱形烘烤箱比方形烘烤箱能更好地承受因箱内压力变化而产生的结构变形，使烘烤过程更加稳定，避免因槽体变形而导致电芯烘烤的差异。电芯主烘烤方向与进气管排出的热惰性气体流动方向平行，因此烘烤效果更好。电芯开口朝上，更方便下道工序电芯注料，整体结构明显优于现有烘烤箱。烘烤箱设计尺寸为φ1 500 mm×1 710 mm。在向烘烤箱内注入热氮气进行烘烤之前，需要对槽体进行抽真空，一般电芯烘烤过程中抽真空时间为3～5分钟，设计时设定抽真空时间为t=5分钟。 罐内初始压强为1.01×10 5 Pa，抽真空后压强为200 Pa。根据真空泵选择公式：式中：S为真空泵抽气速率(L/s)；V为真空室容积(L)；t为达到要求真空度所需时间(s)；P 1 为初始真空度(Pa)；P 2 为要求真空度(Pa)。

经计算得S=8.579 L/s。根据选型手册，本烘烤炉真空室所采用的真空泵型号为2X(Z)型旋片真空泵，与之配套的电机功率范围为1.2～2.5 kW。4 电池单体真空烘烤过程中的热传导与水分蒸发1、电池单体烘烤热传导的理论分析。烘烤过程中热源在烘烤炉上端，电池单体与烘烤炉上下夹板之间留有一定的间隙，以保证电池单体有合适的烘烤温度，也有利于水分通过间隙蒸发扩散出烘烤炉。烘烤过程中电池单体的温度变化可由傅氏热传导定律计算得出：式中，ρg为电池单体内部正负极板的平均密度；Cp为电池单体的比热容；T为电池单体温度； K为电池单元热传导的热效率；x、y、z为空间坐标函数；L为电池单元内部水的汽化潜热；M为电池单元内部的水分含量。电池单元的边界条件设定如下：假设：式中，Tr、Ts、Tair分别为烘箱内热源设定温度、电池单元表面温度、烘箱内环境温度；DW为电池单元内部水分扩散系数；ρW为液态水的密度。导热系数分为两部分，hr为热辐射源导热系数，hc为烘箱内对流导热系数，式中：式中，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；hc=0.5；εp、εr分别为电池单元和热源的热辐射系数；Fsp为烘箱电池单元外部两个平行夹具的形状系数，其计算公式为：