锂离子电池电解液浸润机制解析：从孔隙截留到工艺优化

 

在锂离子电池制造领域，美能光子湾始终怀揣着推动清洁能源时代加速到来的宏伟愿景，全力助力锂离子电池技术的革新。

在锂离子电池制造过程中，电解液浸润是决定电池性能、循环寿命和安全性的关键步骤。然而，由于多孔电极和隔膜的结构复杂性，电解液难以完全填充孔隙，导致气体残留，进而降低锂离子传输效率。本文通过结合实验与模拟，揭示了电解液浸润过程中的气体残留机制，并提出了优化方向。

 

 

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气体残留机制

PE隔膜的3D结构重建及不同电解液的MacMullin数

电解液浸润不完全会导致两个主要问题：

电化学性能下降：残留气体阻塞孔隙，增加锂离子传输路径的曲折度（tortuosity），导致有效电导率降低。实验显示，即使电解液完全润湿隔膜，实测的MacMullin数（表征离子传输阻力的无量纲参数）仍比理论值高40%以上。

安全性风险：未浸润区域可能引发不均匀的SEI（固体电解质界面）形成，加剧锂枝晶生长和电解液分解。

本研究以聚乙烯（PE）隔膜为模型，通过三维结构重建和模拟发现，孔隙几何特性（如孔径分布、连通性）是气体残留的主因，而非传统认为的电解液理化性质（如接触角、粘度）。

 

 

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浸润机制解析

研究借鉴了不完全润湿理论（partial wetting theory），解释电解液在多孔结构中的行为：

毛细力与粘滞力的博弈

多孔介质润湿特性

在微小孔隙中，毛细力（由表面张力和接触角决定）主导浸润过程，但孔隙结构的不均匀性会导致气体被“截留”。例如：

并联孔隙分支（pore-doublet模型）：电解液优先填充低阻力路径，导致并联分支中的气体滞留。

收缩孔喉（snap-off模型）：孔喉处毛细压力突变，阻碍电解液完全填充。

动态效应的影响

不同电解质的隔膜性能表现

高粘度电解液：快速浸润时粘滞阻力增加，可能残留更多气体；但若电解液润湿性差（接触角接近90°），提高粘度反而可能减少气体残留（因粘滞力抑制了气体回吸）。

低接触角电解液：（如EMC接触角14.5°）可显著提升毛细力驱动效果。

 

 

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电解液设计与结构优化

电解液设计

溶剂选择：优先低粘度、低接触角溶剂（如DMC接触角30°，EMC仅14.5°）。

盐浓度控制：避免高盐浓度（会增加粘度和表面张力）。

电解质理化性质对MacMullin数的影响

多孔结构优化

窄孔径分布和小孔喉比：例如，PE隔膜的孔喉直径（85 nm）与孔隙直径（110 nm）比值为1.33，需进一步降低至1.1以下。

表面改性：亲水涂层（如SiO₂修饰）可提升浸润均匀性。

新型隔膜设计：各向同性结构或梯度孔隙分布以减少截留风险。

 

 

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动态过程与工艺控制

电解质润湿模拟过程

气体残留的静态分析仅是第一步。实际电池运行中，体积变化（如锂沉积/脱嵌）、机械应力（如隔膜形变）或产气反应（如电解液分解）可能重新分布残留气体，导致性能衰减。未来研究需关注：

动态浸润模拟：结合流体动力学和电化学模型，预测循环中的气体迁移。

工艺参数优化：如浸润速度、温度或真空度对残留气体的影响。

美能光子湾与行业同仁共同致力于锂离子电池技术的革新，始终以“更安全、更高效”为核心目标，推动清洁能源时代的加速到来。未来，电解液与结构的协同优化将成关键发展方向，这些均为下一代高功率、长寿命电池的开发提供了关键支撑 。

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原文出处：《Understanding Electrolyte Infilling of Lithium Ion Batteries》

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