从材料到电芯：锂离子电池注液浸润工艺中的“断层”挑战与解决方案

 

在高性能锂离子电池的制造链条中，电解液注液与随后的浸润是决定电池最终电化学性能与安全性的关键步骤。尽管这一环节至关重要，但目前学术界仍缺乏针对该领域实验结果的系统性科学分析。既有的文献往往侧重于电池生产的全流程，或仅局限于隔膜与电解液的材料层面，难以全面覆盖工艺参数与未来挑战。本文深入探讨了从材料级到电芯级的实验测量方法及关键影响因子，旨在揭示当前研究中的断层并指引未来的优化方向。

工艺机理：注液与浸润的二元视界

Millennial Lithium
 

在严谨的工程实践中，我们将广义的注液过程拆解为两个截然不同却又紧密关联的子过程：注液与浸润。

注液是指将液态电解液物理引入电池死体积的过程。该步骤通常在电池密封时结束。工业界采用了多种策略来确定注液量，包括基于电极和隔膜的孔隙体积、电池的理论容量、极片组重量或电化学反应发生的电极表面积。这些策略的核心假设均为：为了保证性能，所有孔隙必须被完全浸润。

浸润则是第二个子过程，当电芯复合材料与流入壳体死体积的电解液接触时立即开始。在微孔复合材料中，毛细管力驱动电解液被吸收进孔隙结构中，同时置换出气体。如果浸润不充分，在随后的化成或老化过程中，不均匀的电流密度将导致析锂现象，严重影响电池容量与安全性。由于注液时间通常短于浸润时间（注液仅需数秒至数分钟，而浸润可能耗时数小时），且注液后往往伴随数十分钟的静置，如何通过工艺参数（如压力、温度）加速这一物理过程成为了研究焦点。

测量方法学的多维图谱

Millennial Lithium
 

表征浸润性的方法在材料级和电芯级呈现出显著的差异性，理解这种差异对于数据分析至关重要。

材料级表征
在材料级，研究多侧重于接触角或重量变化。润湿天平测试通过测量材料吸收液体后的重量变化来计算电解液吸液率。另一种常见方法是利用Washburn方程原理的连续测量，通过张力计测定由毛细效应引起的质量增加。此外，接触角测量也是表征固体、液体和气体接触面性质的经典手段，尤其适用于评估因聚烯烃基材而导致浸润性较差的隔膜材料。

用于测量电芯复合材料浸润特性的常用测量方法示意图

电芯级表征
转至电芯级，由于电池壳体的不透明性，测量技术往往依赖于辐射或电化学手段。中子射线成像利用轻元素（如氢、锂）对中子强烈的衰减特性，能够清晰地成像碳氢基电解液的浸润前沿。相比之下，X射线检查则需要向电解液中添加造影剂以区分密度差异。

此外，电化学阻抗谱（EIS）在电芯级表征中占据重要地位。由于电池内阻与浸润面积成反比，高频阻抗的变化可用于推断宏观浸润状态。计时电流法则通过监测固液界面膜（SEI）形成过程中的电流信号差异，来反推完全浸润所需的时间。

用于测量组装后电池电芯浸润特性的常用测量方法示意图

关键影响因子与研究趋势

Millennial Lithium
 

通过对文献的量化分析发现，近十年来相关研究显著增加，且重心正从单纯的材料改性向工艺参数优化转移。

在材料层面，研究集中于改性难浸润的聚烯烃隔膜（如涂覆陶瓷涂层）以及优化电解液配方。电极制造工艺对浸润性的影响也不容忽视。例如，辊压作为极片制造的最后一步，直接决定了电极的孔隙形态，进而影响浸润行为。激光结构化技术虽然可能轻微降低体积比能量，但其在电极表面制造的微观通道能显著改善离子扩散和电解液在厚度方向的渗透效率。

在工艺层面，注液时的真空压力设定至关重要。尤其是对于方形硬壳电池，其内部死体积较小，且气体从卷芯内部扩散的路径较长，工艺压力直接影响气泡的排出效率。然而，目前对于切割质量、后烘干残余水分以及封装技术对浸润的具体影响，仍存在明显的研究空白。

核心挑战：从材料到电芯的“断层”

Millennial Lithium
 

尽管我们在单一层面的研究取得了进展，但本综述揭示了一个严峻的现实：缺乏从材料级到电芯级结果的有效迁移。

目前的实验设计往往是孤立的。材料级测试（如液滴扩散测试）成本低、易操作，常用于新材料筛选，但它无法模拟电池内部层叠结构间的相互作用力（如极组压力）。反之，电芯级测试（如中子成像、EIS）虽然真实反映了原位状态，但设备昂贵且往往仅能表征宏观浸润度，难以解析微观孔隙的填充情况。

这种测量方法的异质性导致了数据的不可比性。例如，材料级测试多在常温常压下进行，而电芯注液往往涉及变温和真空环境。如果无法建立准确的传递函数，仅凭改善电极或隔膜的表面能，并不一定能在全电池尺度上获得等比例的浸润效率提升。

结论与展望

Millennial Lithium
 

综上所述，锂离子电池注液与浸润工艺的研究正处于从经验科学向精密工程转变的关键期。未来的研究重点应放在填补材料级与电芯级之间的鸿沟上。我们需要开发能够结合两级优势的统一测量协议，或者利用超声波扫描等非破坏性技术实现量产线上的实时浸润监控。

此外，虽然本综述排除了纯仿真研究，但构建经过严格实验验证的工艺模型将是解决这一复杂多物理场问题的必由之路。通过模型将材料参数（如接触角、孔隙率）映射到电芯级的浸润时间，将极大地降低工艺开发的试错成本，助力下一代高比能电池的高效制造。

原文参考：A Systematic Literature Analysis on Electrolyte Filling andWetting in Lithium-Ion Battery Production
 

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。