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。