CN114777427B - 一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，包括以下步骤：1）将电芯置于鼓风干燥设备中干燥，进风气体来自降温区的环境，露点≤‑30℃，出风气体通入极片电芯车间；2）将电芯转移至真空加热干燥设备干燥，真空值阶梯变化；3）真空干燥的破真空采用经由除湿机干燥后的鼓风空气，气体露点≤﹣50℃，将电芯转移至降温区待注液。通过步骤1）和2）两步干燥，可迅速将电芯内正极片和负极片水分分别控制在80ppm和180ppm以下。本方法简单，对干燥设备的要求低，适应性好；同时，该干燥方法降低了电芯干燥所用时间，提高了干燥效率，降低了制造工费，最终降低电池的成本。

Description

一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池电芯的干燥技术领域，具体涉及一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法。

背景技术

目前锂离子电池主要采用有机电解液，常用的六氟磷酸锂会和水持续反应，所以水分含量显著影响锂离子电池的性能和循环。在电芯制造行业，如何节能有效的去除电芯注液前干燥阶段的水分，是一个重要的工艺问题。

目前行业内主要用氮气置换工艺对电芯进行干燥，即对存有电芯的腔体进行真空，随后充入干燥的高纯氮气，同时有加热系统。该工艺较为复杂，一般需3次置换，对设备的损坏较大，同时对氮气的要求较高，成本较高。现有技术公开了一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其是将待干燥的电芯置于封闭的腔体中，设定腔体的恒定温度，进行若干次抽真空、卸真空循环动作，在所述的封闭的墙体内形成循环气体气流，干燥所述电芯。现有技术公开了一种大容量锂离子电池电芯的干燥方法。该干燥方法包括：1 )将锂离子电池电芯置于充有干燥空气的干燥腔体中，抽真空至真空度为85kPa～95kPa，加热至体系温度为90℃～105℃；2)维持体系温度为90℃～105℃，真空度为85kPa～95kPa，在干燥腔体内部鼓风2 .5h～4h；3)维持体系温度为90℃～105℃，对干燥腔体抽真空至真空度为10～30Pa后保压；该步骤所用时间为12h～18h。相比于传统氮气置换工艺，该方法未使用氮气，但使用同一腔体又做真空加热又做鼓风干燥，对设备要求非常之高，并且时间长，生产效率低。现有技术公开了一种锂离子电池干燥方法，其将鼓风干燥温度设置为200℃以上，但是目前聚烯烃隔膜在200℃以上发生熔融，即干燥时就破坏了隔膜的作用，另外，PVDF的熔点为172℃，热变形温度为112~145℃，200℃以上时的PVDF失去了对活性物质的粘结作用。现有技术公开了一种圆柱形电芯及其烘烤方法，包括如下步骤：将电芯在温度为82-88℃的条件下进行鼓风干燥9-11h；将鼓风干燥后的所述电芯进行真空干燥；其中，所述真空干燥包括10-14次的如下循环过程：先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥20-30min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理后，在温度为80-90℃的条件下加热15-25min。该方法步骤复杂，破真空-抽真空频繁，而且时间不短，需要接近20小时，采用惰性气体，成本偏高。

鉴于此，需要一种简单有效的电芯干燥方法，进一步简化干燥工艺提升生产的干燥效率，同时降低能耗，缩减电芯制造工费，最终降低电池成本。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，解决常规氮气置换工艺的高成本低效率问题，同时相比于现有技术的弊端，简化干燥工艺提升生产的干燥效率，同时降低能耗，缩减电芯制造工费，最终降低电池成本。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，包括以下步骤：将方形叠片锂离子电池电芯鼓风干燥后进行真空干燥，实现方形叠片锂离子电池电芯的干燥；所述真空干燥时，真空值阶梯变化。

本发明中，真空干燥时，一直保持真空，利用真空值阶梯变化可提高干燥均匀性，优选的，真空干燥时，真空值为-20～-50 kPa保持0.5～2小时，然后-60～-80kPa保持2～4小时，最后-90～-100kPa保持1～3小时；最优选的，真空干燥时，真空值为-30～-40 kPa保持0.5～1小时，然后-60～-70kPa保持2～3小时，最后-90～-100kPa保持1～2小时；作为示例，真空干燥时，真空值为-40 kPa保持1小时，然后-70 kPa保持3小时，最后-100 kPa保持2小时。电芯干燥除了整体含水量需要低之外，内外一致的干燥度更是保持电池性能稳定的关键，现有技术较少提及此点，主要在于发现电芯内外含水率对电池性能影响的研究者不多，还在于现有方法存在的客观因素导致无法解决此问题，因此本领域技术人员都是将电芯干燥至标准内，而未见针对电芯各层干燥度近似提出技术方案。本发明采用鼓风加热后真空干燥的方法，结合阶段真空度变化，在低于现有生产用时的基础上，实现了电芯干燥，且意外的取得各部位干燥效果近似的技术效果。更主要的是，本发明提出的干燥方法成本低，既没有采用惰性气体，也降低了干燥时间，还充分利用气体循环，综合而言，明显降低成本。

本发明中，鼓风干燥时，温度为75～85℃，优选80℃；时间为1.5～2.5小时，优选2小时；鼓风干燥的进风气体的露点≤-30℃，优选-40～-30℃。优选的，鼓风干燥的进风气体来自降温区，出风气体通入极片电芯车间；降温区用于存放真空干燥后待注液的电芯，防止热电芯注液热胀冷缩，极片电芯车间是电芯的叠片和入壳等工序，降温区的空气露点≤-30℃，极片电芯车间的露点≤-10℃。本发明将降温区的气体入鼓风干燥箱，可以助于干燥电芯，而出鼓风干燥箱的气体湿度还可以满足极片电芯车间的要求，将该出风的气体输入至极片电芯车间，实现废气利用。作为常识，维持低湿度需要较大的设备投入以及能耗，本发明的方法利于降低成本。

本发明中，真空干燥后，破真空的气体的露点≤-50℃，优选-60～-50℃；优选的，破真空的气体来自注液间，锂离子电池制造工序，注液间的湿度要求最严格，露点≤-50℃，该气体可用于真空加热干燥时的破真空，从而无需为破真空额外制备低湿度空气，利于降低成本。

本发明中，通过鼓风干燥和真空干燥两步干燥，在极少的时间内完成电芯的干燥，满足水分控制标准。传统氮气置换法需3轮以上抽真空、加热保温、破真空的循环操作，现有其他的干燥工艺也需要3次操作，而本技术方案只需两步即可完成干燥。本技术方案鼓风干燥工序需2小时，真空干燥工序需6小时，总干燥时间为8小时，效率高，设备投入少，工费降低。本方法的鼓风干燥温度为80℃，去除极片内大部分水分，主要是大孔中的水，真空干燥温度仅为80℃、平均真空值-75kPa（相对于大气压101kPa低26kPa），干燥温度低且真空度低，鼓风干燥与真空温度相同，真空时不需要升温，不需要重复破真空抽真空，降低了能耗，进一步降低了制造工费，最终降低电池的成本。重复的破真空抽真空不仅浪费能耗，同时低温气体灌入电芯会造成隔膜收缩，容易造成正负极短路风险。

本发明解决了在真空在很难实现热量的传递的问题，先利用鼓风加热实现对电芯的预热，一般2小时可完成，同时去除掉电芯极片内大部分水分，防止该水分在真空高温条件下形成大量的水蒸气；随后将预热完成的电芯进入真空加热工序，利用真空进一步去除极片内残存的小部分水分，即中孔和少量微孔中的水。这样的设计可以极大减少干燥的时间。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比，本发明提供的锂离子电池电芯的干燥方法，工艺简单，对干燥设备的要求低，适应性好；同时，该干燥方法降低了电芯干燥所用时间，提高了干燥效率，降低了制造工费，最终降低电池的成本；同时温度和真空度的改善，可减小电芯隔膜在烘烤过程中的形变，利于电池生产企业实现降本增效和提高产品质量等目标。

附图说明

图1是本发明实施例一的干燥设备布局图，箭头为空气流动方向。

具体实施方式

本发明1）将电芯置于鼓风干燥设备中1.5～2.5小时，优选2小时，鼓风进风温度为75～85℃，优选80℃，进风气体来自降温区的环境，露点≤-30℃，出风气体通入极片电芯车间；2）将电芯转移至真空加热干燥设备中，设备设定温度为75～85℃，优选80℃，真空值为-20～-50 kPa保持0.5～1.5小时，然后-60～-80kPa保持2～4小时，最后-90～-100kPa保持1～3小时；3）真空干燥的破真空采用气体露点≤-50℃，将电芯转移至降温区待注液，环境温度为20±5℃，露点≤-30℃。通过步骤1）和2），可迅速将电芯内正极片和负极片水分分别控制在80ppm和180ppm以下。

本发明具体操作步骤、实验方法以及设备为现有技术，气体为空气；锂离子电池电芯为现有产品，干燥前不满足锰酸锂体系电池对水份控制的要求，各实验的水份测试为现有技术，方法一致。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

本实施例的锂离子电池电芯的干燥方法，如以下步骤依次进行：

1）将方形叠片锂离子电池电芯置于80℃鼓风干燥设备中2h，鼓风进风温度为80℃，进风气体来自降温区的环境，露点-30℃，出风气体通入极片电芯车间；

2）将鼓风干燥后的电芯转移至80℃真空加热干燥设备中，真空值为-40 kPa保持1小时，然后-70 kPa保持3小时，最后-100 kPa保持2小时，一共6小时，平均真空值为-75kPa。无论是平均值还是单点值，干燥后的电芯正极水分均在80ppm以下，负极水分均在180ppm以下，满足锰酸锂体系正极电池的要求；

3）采用注液间空气（露点-50℃）破真空，再将电芯转移至降温区待注液，降温时间30分钟，环境温度为20±5℃，露点-30℃。

本发明先利用鼓风加热实现对电芯的预热，2小时可去除掉电芯极片内大部分水分，防止该水分在真空高温条件下形成大量的水蒸气；随后将预热完成的电芯进入真空加热工序，利用真空进一步去除极片内残存的小部分水分。这样的设计可以极大减少干燥的时间。

锂离子电池制造工序，一般注液间的湿度要求最严格，露点≤-50℃，该气体可用于真空加热干燥时的破真空。降温区用于存放真空干燥后待注液的电芯，防止热电芯注液热胀冷缩。降温区的露点≤-30℃，极片电芯车间的露点≤-10℃，极片电芯车间主要是电芯的叠片和入壳等工序。将降温区的气体入鼓风干燥箱，可以助于干燥电芯，而出鼓风干燥箱的气体湿度还可以满足极片电芯车间的要求，将该出风的气体输入至极片电芯车间，实现废气利用，参见图1。

取真空加热干燥设备腔体内干燥的外侧、中间侧、内侧的各5只电芯，取每只方形叠片电芯测试最外层正极片（两片）、中间层正极片（一片）的含水量，测试最外层负极片（两片）、中间层负极片（一片）的含水量，用卡尔费休法测试各样品的水分结果如下表（平均值）：

从结果来看，不同干燥区域的电芯以及相同电芯不同位置的极片，结果偏差小，一致性好，差值在10ppm以内。无论是平均值还是单点值，正极水分均在80ppm以下，负极水分均在180以下，满足锰酸锂体系正极电池的要求。

对比例一

在实施例一的基础上，省略步骤1），步骤2）后两个真空度保持时间各加1小时，即一共8小时，温度不变，得到的干燥电芯测试如下表：

对比例二

在实施例一的基础上，将步骤2）的真空工艺调整为如下，抽真空至-100kPa保持6小时，得到干燥电芯，用卡尔费休法测试各样品的水分结果如下表：

对比例三

在实施例一的基础上，将步骤2）的真空工艺调整为进行如下循环：抽真空至-90kPa保持3小时、采用80℃注液间空气破真空，重复上述动作循环3次，一共9小时，在封闭的腔体内形成循环气体气流，得到干燥电芯，用卡尔费休法测试各样品的水分结果如下表：

实施例二

在实施例一的基础上，将步骤2）的真空工艺调整为如下：-40 kPa保持2小时，然后-70 kPa保持3小时，最后-100 kPa保持3小时，一共8小时，得到干燥电芯，用卡尔费休法测试各样品的水分结果如下表：

本发明鼓风干燥工序需2小时，真空干燥工序需6小时，总干燥时间为8小时，发现干燥效果好，不仅所有部位满足标准要求，而且干燥一致性非常好。由于鼓风干燥箱结构简单易放大，相同产能的工厂设计，1台大鼓风干燥箱搭配3台真空干燥箱，8小时可以出3批干燥电芯，真空干燥箱价格远高于鼓风干燥箱。本实施例效率高，设备投入少，工费降低。同时干燥温度仅为80℃平均真空度-75kPa，相比于现有技术常规的95℃，干燥温度低且真空度低，降低了能耗，进一步降低了制造工费，最终降低电池的成本。

众所周知，因为在真空条件下热量是很难传导到物体，所以真空加热去除水分占用较大时间，本发明采用鼓风加热后真空干燥的方法，结合阶段真空度变化，在低于现有生产用时的基础上，实现了电芯干燥，且意外的取得各部位干燥效果近似的技术效果。更主要的是，本发明提出的干燥方法成本低，既没有采用惰性气体，也降低了干燥时间，还充分利用气体循环，综合而言，从电芯干燥、降温、注液到叠片和入壳，以2000只电芯的工业级干燥箱为例，生产2000只电芯为对象，以本发明方法使用前的现有生产方法为对照，所花成本降低53%，大约56万元，这对竞争非常激烈的锂离子电池制备领域非常关键。

Claims (7)

1.一种方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其特征在于，包括以下步骤：将方形叠片锂离子电池电芯鼓风干燥后进行真空干燥，实现方形叠片锂离子电池电芯的干燥；所述真空干燥时，一直保持真空，真空值阶梯变化，真空值为-20～-50 kPa保持0.5～2小时，然后-60～-80kPa保持2～4小时，最后-90～-100kPa保持1～3小时；鼓风干燥时，温度为75～85℃，时间为1.5～2.5小时；真空干燥时，温度为75～85℃，时间为3.5～9小时。

2.根据权利要求1所述方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其特征在于，真空干燥时，真空值为-30～-40 kPa保持0.5～1小时，然后-60～-70kPa保持2～3小时，最后-90～-100kPa保持1～2小时。

3.根据权利要求1所述方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其特征在于，鼓风干燥的进风气体的露点≤-30℃。

4.根据权利要求1所述方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其特征在于，鼓风干燥的进风气体来自降温区，出风气体通入极片电芯车间。

5.根据权利要求1所述方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其特征在于，真空干燥后，破真空的气体的露点≤-50℃。

6.根据权利要求1所述方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法，其特征在于，破真空的气体来自注液间。

7.根据权利要求1所述方形叠片锂离子电池电芯的干燥方法制备的方形叠片锂离子电池电芯。