一

導讀

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

在電芯烘烤的負壓環境之中，電芯盛放在烘烤箱內架體上，通過充入惰性氣體進行烘烤干燥處理。然而在實際烘烤過程中由于電芯內部的溫度與水分變化過程并不可見，導致了烘烤箱內部環境與烘烤時間的盲目性，便直接影響了電池質量，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部的溫度變化與水分蒸發的研究十分有必要。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去除，電芯暴露于傳熱輻射和惰性氣體的對流傳導，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自由水蒸發。其蒸發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，也利于蒸發的水分通過間隙擴散出烤箱以外。電芯在烘烤時的溫度變化可通過傅里葉熱傳導定律計算：

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

式中，Tr、Ts、Tair分別為烘烤箱內熱源設定溫度、電芯表面溫度、烘烤箱內部環境溫度;DW為電芯內部水分擴散系數;ρW為液態水密度。

熱傳導系數分為2部分，hr為熱輻射源熱傳導系數，hc為烤箱內對流熱傳導系數，其中

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

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

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電芯內部溫度與時間變化曲線圖

結果表明: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95min左右后，電芯各個部位逐漸達到最高溫度，與烤箱內部溫度達到一致。

三

電芯水分蒸發機理研究

水份的蒸發過程中，濃度梯度的用途效果對干燥的影響不僅只發生在表面，對內部依然具有相同影響。針對電芯的水分蒸發擴散過程可以參照菲克定律來計算：

式中:D為電芯內部的水分有效擴散系數，其中同時包含了水分與水蒸汽擴散。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變化完全可以忽略。設定邊界條件為：

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

電芯內部的水分蒸發過程可通過CFD仿真軟件進行簡化的二維仿真進行分析，但是關于復雜的流動問題，僅靠Fluent自帶的模型、初邊界條件和材料物性不可能完成實際要，這就要利于函數進行控制。UFD使用DEFINE宏來含義，通過C語言編寫，將電芯內部的溫度與水分傳遞函數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Fluent仿真流程圖

運用fluent仿真軟件對指定尺寸電芯內部進行水分蒸發速度的仿真分析，結果如圖4所示。

圖4不同時間電芯內部水分蒸發速度仿真結果

通過計算，在電芯烘烤過程中的電芯3個不同部位的含水量結果，如圖5所示，假設電芯在烘烤之前，各個橫縱截面含水量一致。

圖5電芯內部含水量與時間變化曲線圖

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

表1電芯烘烤過程計算參數值

四

結論

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

針對指定尺寸鋰離子電池電芯，溫度變化從電芯表面至底層隨著時間均均勻升高，在95min左右整個電芯達到烘烤指定溫度;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但是并未達到指定低的含水量，其原因為電芯中部與底部的水分均從表面散發出去，電芯底部則在烘烤中后期水分去除達到最大值，在烘烤最后整個電芯達到標準含水量。