浸润受阻，电芯也会“血淤”！

前 言

血淤是指中医辨证中的一种证型。血淤即血液运行不畅，甚至瘀滞不通的状态，阻滞于经脉及脏腑内，血淤会使患者出现皮疹紫暗、舌质紫暗，甚至会引起脑血栓、冠心病等疾病。在电芯中，电解液即为电芯的“血液”，当其无法充分浸润电芯内部并顺畅流通时，也会出现“血淤”现象，从而影响电芯的各方面性能。

电解液浸润程度是影响锂离子电池动力学、循环寿命和安全可靠性等性能的关键因素之一，良好的浸润效果可以在固液之间形成一个均匀的、有利于电化学反应的界面，减小正负极材料与电解液之间的界面电阻。这种界面有助于（Solid Electrolyte Interface）SEI膜的生成，从而提升电芯的循环稳定性和安全性[1-3]。若电解液的浸润效果不理想，会使得充放电过程中锂离子的传输路径变远，降低锂离子在正负极之间的穿梭效率，影响电芯的动力学性能。不完全浸润可能会出现活性物质剥离、锂枝晶生长等问题，这些会导致电芯内阻增加和容量降低，加速电芯的老化过程，更严重的可能使电芯在充放电过程中出现局部过热，引起热失控导致火灾和爆炸等安全问题（图1）。

图1.电芯热失控

电解液浸润改善方案

针对电解液浸润不良的问题，可通过调整电解液配方，修改电芯生产工艺参数等方案进行改善：

电解液配方改善：电解液的化学成分和物理状态（如溶剂、溶质、粘度和表面张力等）会影响其浸润电极的能力[4]。当电解液与正负极，隔离膜材料不适配时，电解液与材料表面的接触角θ会比较大（图2），二者之间的相互作用力较小，电解液无法充分浸润整个材料。因此，研发人员通常会通过调整溶剂、溶质或者加入某些特定的添加剂来改善电解液与电极材料的相容性，从而提高电解液的浸润能力，提升电芯寿命。

图2.电解液与极片的接触角示意图

前工序工艺改善：不同形貌、粒径的正负极材料，导电碳和粘结剂等对电解液的浸润效果不同。通常材料的比表面积越大，电解液的渗透速率越快，渗透程度越好。所以针对不同材料，需要调整相应的电芯生产工艺参数，确保电解液的充分浸润。

在极片层级：压实密度会直接影响到电解液的浸润程度。虽然提高压实密度可以降低电芯内阻并提升电芯的体积能量密度，但当极片的压实密度过大时，极片内部的孔隙率会降低，这不利于电解液的浸润和渗透。因此 需要调节适当的压实密度，在得到低阻抗的同时，保证电解液的充分浸润。

在裸电芯层级：裸电芯极片、隔离膜的卷绕张力以及热压定型程度也会影响电解液的浸润（图3）。当裸电芯卷绕热压过紧时，极片与隔离膜的间隙很小，电解液无法充分浸润到电芯内部，容易导致电芯在循环过程中出现中部紫斑，析锂等问题。当裸电芯结构较为松散时，一方面会导致裸电芯入壳困难，循环过程中出现电芯变形等异常，另一方面会使得正负极、隔离膜之间的间隙增加，导致电解液无法均匀分布在电芯中，进而影响到电芯的性能。

图3.(a)裸电芯示意图，(b)热压前(c)热压后裸电芯横截面示意图

注液工艺改善：改善电解液浸润效果最常规的一种办法是调整注液工艺。从注液方式，注液后静置温度和时间，注液条件等方面可以有效改善电解液的浸润效果。例如，通过真空注液能够改善锂离子电池的电解液浸润性。在真空条件下进行注液，不仅有利于排出电芯内的气体，还能够减少气体对电解液注入的阻力，让电解液与极片直接接触，从而减少浸润时间，提升浸润程度。注液后通常会进行高温静置，在高温条件下电解液能够更好地渗透到电芯内部以及电极材料的孔隙中，提高电解液与电极的接触面积和反应活性。

电解液浸润测试系统

基于电解液浸润对于电芯的重要性，元能科技（厦门）有限公司开发出电解液浸润测试系统，可量化不同电解液在不同极片，裸电芯间的浸润差异，为电解液浸润评估提供了一种有效手段。

电解液毛细浸润系统：图4a为毛细管浸润法的原理示意图。在毛细管内注入电解液，毛细玻璃管与极片表面垂直接触后，随着电解液不断浸润涂层，毛细管液面不断降低。视觉识别系统实时记录毛细管液面高度，液面高度的动态演变过程就是电解液浸润实时过程，高度变化量即电解液的浸润量。如图4b所示，样品1在50s和100s时电解液的液面下降值均明显大于样品2，这说明电解液在样品1中浸润能力更好。

图4.(a)毛细管浸润法原理示意图，(b)不同负极的毛细管浸润曲线

电解液重量浸润系统：图5a为重量浸润法的原理示意图。将极片/裸电芯悬挂在相应的天平下，浸润在电解液中，随着时间增加，电解液会向上攀爬，此时通过天平的重量变化可以实时表征极片、裸电芯的电解液浸润量和浸润速率。对不同压实密度的极片进行了测量，其中样品A的压实密度小于样品B，从测量结果上看（图5b），样品A的浸润K值大于样品B，即压实密度越大电解液的浸润性越差。

图5.(a)重量浸润法原理示意图，(b)不同压实密度极片的重量法浸润曲线

电解液高度浸润系统：图6a为高度浸润法的原理示意图。将极片竖放并浸润在电解液中，通过搭载高精度视觉采集系统实时记录电解液在极片中的浸润高度从而实时表征电解液的浸润速率。图6b为不同负极极片的高度法测量结果，从结果上看高度法同样可区分出不同极片的电解液浸润差异。

图6.(a)高度浸润法原理示意图，(b)不同负极的高度法浸润曲线

总 结

“血淤”现象会导致电芯出现黑斑、锂枝晶生长、内阻增加、容量跳水，严重的会出现电芯局部过热，引起热失控导致火灾和爆炸等安全问题。因此，评估电解液的浸润效果是电芯体系研发，工艺生产中需要关注的核心之一，通过元能科技开发出电解液浸润测试系统，可以从极片和裸电芯层级评估电解液的浸润能力，从而为电解液设计，电芯生产制造工艺提供一定的理论指导。

参考文献

[1] 郑洪河等编著. 锂离子电池电解质. 北京：化学工业出版社, 2007.01.

[2] Wang B L, Wang J P, Zhang L, et al. Adsorptive Shield Derived Cathode Electrolyte Interphase Formation with Impregnation on LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 Cathode: A Mechanism-Guiding-Experiment Study[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024:16, 38, 50747–50756.

[3]张双虎.锂离子电池的电解液浸润的研究进展[J].化学世界,2021,62(03):129-136.

[4] Yao N, Yu L, Fu Z H, et al. Probing the origin of viscosity of liquid electrolytes for lithium batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2023: e202305331.