鋰電池電芯真空烘烤過程超強(qiáng)指導(dǎo)研究

在電芯烘烤的負(fù)壓環(huán)境之中，電芯盛放在烘烤箱內(nèi)架體上，通過充入惰性氣體進(jìn)行烘烤干燥處理。

一、導(dǎo)讀

在鋰離子電池生產(chǎn)過程中，將正負(fù)極片輥壓繞卷再放入電池盒之后，須對鋰電池電芯極組進(jìn)行烘烤干燥。眾所周知，水分對鋰電池的性能影響是最大的，需要注液前在裝配車間將鋰離子電池電芯內(nèi)部的水分去除，以免影響鋰電池質(zhì)量。

在電芯烘烤的負(fù)壓環(huán)境之中，電芯盛放在烘烤箱內(nèi)架體上，通過充入惰性氣體進(jìn)行烘烤干燥處理。然而在實(shí)際烘烤過程中由于電芯內(nèi)部的溫度與水分變化過程并不可見，導(dǎo)致了烘烤箱內(nèi)部環(huán)境與烘烤時間的盲目性，便直接影響了電池質(zhì)量，這種影響是電芯注液與最終的電池烘烤等后期工藝挽回不了的。

因此對電芯在烘烤時電芯內(nèi)部的溫度變化與水分蒸發(fā)的研究十分有必要。待烘烤電芯只有上端供有注電解液的開口，水分幾乎也是通過電芯上端蒸發(fā)去除，電芯暴露于傳熱輻射和惰性氣體的對流傳導(dǎo)，傳熱到電芯過程中，一方面用于提高電芯溫度另一方面用于電芯內(nèi)自由水蒸發(fā)。其蒸發(fā)位置示意圖與某型號電芯尺寸如圖1所示。

圖 1電芯烘烤示意圖

二、電芯烘烤熱傳導(dǎo)理論分析

在烘烤過程中，熱源在烘烤箱上端，電芯與烤箱上下夾板之間留有一定間隙，用于保證電芯擁有合適的烘烤溫度，也利于蒸發(fā)的水分通過間隙擴(kuò)散出烤箱以外。電芯在烘烤時的溫度變化可通過傅里葉熱傳導(dǎo)定律計(jì)算：

式中，ρg為電芯內(nèi)部正負(fù)極片平均密度; Cp為電芯比熱容; T為電芯溫度; K為電芯熱傳導(dǎo)熱效率; x、y、z為空間坐標(biāo)函數(shù); L為電芯內(nèi)部的水分氣化潛熱; M為電芯內(nèi)部水分含量。電芯的邊界條件設(shè)定為：

式中，Tr、Ts、Tair分別為烘烤箱內(nèi)熱源設(shè)定溫度、電芯表面溫度、烘烤箱內(nèi)部環(huán)境溫度; DW為電芯內(nèi)部水分?jǐn)U散系數(shù);ρW為液態(tài)水密度。

熱傳導(dǎo)系數(shù)分為2部分，hr為熱輻射源熱傳導(dǎo)系數(shù)，hc為烤箱內(nèi)對流熱傳導(dǎo)系數(shù)，其中

式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù); hc=0.5; εp與εr分別為電芯與熱源的熱輻射系數(shù); Fsp為烤箱電芯外兩個平行夾板的形狀系數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中Lsp為烤箱內(nèi)熱源與電芯表面之間的距離; asp與bsp為電芯長度與寬度，其中各系數(shù)由上列結(jié)果帶定。

為便于分析說明電芯不同位置溫度與水分變化，將電芯分為表面、中間與底部三個部分，電芯表面部分離熱源最近。計(jì)算可得到不同時刻電芯三個部分的溫度變化，如圖2所示。

圖 2 電芯內(nèi)部溫度與時間變化曲線圖

結(jié)果表明: 在烘烤開始時，電芯各個部位測量均為慢慢升高的趨勢，表面溫度升高最快，底部升高最慢，烘烤近95 min左右后，電芯各個部位逐漸達(dá)到最高溫度，與烤箱內(nèi)部溫度達(dá)到一致。

三、電芯水分蒸發(fā)機(jī)理研究

水份的蒸發(fā)過程中，濃度梯度的作用效果對干燥的影響不僅只發(fā)生在表面，對內(nèi)部依然具有相同影響。針對電芯的水分蒸發(fā)擴(kuò)散過程可以參照菲克定律來計(jì)算：

式中: D為電芯內(nèi)部的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，其中同時包含了水分與水蒸汽擴(kuò)散。由于電芯水分含量微乎其微，烘烤過程中的溫度也不會造成電芯的屬性變化，所以水分烘干過程中電芯材料的壓縮量與物理化學(xué)變化完全可以忽略。設(shè)定邊界條件為：

式中，Mair與M0分別為初始狀況下烘烤箱內(nèi)部與電芯中的水分含量;hv為電芯內(nèi)部的水分傳至烤箱環(huán)境中的傳遞系數(shù)。

電芯內(nèi)部的水分蒸發(fā)過程可通過CFD仿真軟件進(jìn)行簡化的二維仿真進(jìn)行分析，但是對于復(fù)雜的流動問題，僅靠Fluent自帶的模型、初邊界條件和材料物性不可能完成實(shí)際需要，這就需要利于函數(shù)進(jìn)行控制。UFD使用DEFINE宏來定義，通過C語言編寫，將電芯內(nèi)部的溫度與水分傳遞函數(shù)與邊界條件通過編程后，將編寫好的UFD加載到Fluent之中。其順序流程如圖3所示。

圖 3 烘烤電芯水分蒸發(fā) Fluent 仿真流程圖

運(yùn)用fluent仿真軟件對指定尺寸電芯內(nèi)部進(jìn)行水分蒸發(fā)速度的仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同時間電芯內(nèi)部水分蒸發(fā)速度仿真結(jié)果

通過計(jì)算，在電芯烘烤過程中的電芯3個不同部位的含水量結(jié)果，如圖5所示，假設(shè)電芯在烘烤之前，各個橫縱截面含水量一致。

圖 5電芯內(nèi)部含水量與時間變化曲線圖

結(jié)果表明: 在烘烤開始時，電芯表面水分蒸發(fā)速率便很快，之后含水量慢慢減少趨于平緩，電芯中間部分在烘烤開始20 min左右蒸發(fā)速度達(dá)到最大值，而電芯底部在烘烤開始時水分蒸發(fā)并不明顯，在烘烤50 min左右水分含量降低最為明顯。電芯烘烤過程的數(shù)值計(jì)算參數(shù)值如表1所示。

表 1 電芯烘烤過程計(jì)算參數(shù)值

四、結(jié)論

電芯在注液前的真空烘烤去除水分過程十分重要，電芯內(nèi)部的溫度變化與水分含量可分別通過傅里葉熱傳導(dǎo)定律與菲克定律研究分析得到，對電芯實(shí)際烘烤過程研究與烘烤工藝提升均具有指導(dǎo)意義。

針對指定尺寸鋰電池電芯，溫度變化從電芯表面至底層隨著時間均均勻升高，在95 min左右整個電芯達(dá)到烘烤指定溫度; 電芯含水分變化則不同，烘烤開始時電芯表面水分去除最快，在中后期含水量隨平穩(wěn)但是并未達(dá)到指定低的含水量，其原因?yàn)殡娦局胁颗c底部的水分均從表面散發(fā)出去，電芯底部則在烘烤中后期水分去除達(dá)到最大值，在烘烤最后整個電芯達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含水量。