在鋰離子電池(chí)生產過(guò)程中(zhōng)
，將正(zhèng)負極(jí)片(piàn)輥壓繞(rào)卷(juàn)再(zài)放(fàng)入電池盒之後
，須對鋰(lǐ)電池電芯極(jí)組進行(háng)烘烤(kǎo)幹燥。
，水(shuǐ)分(fēn)對(duì)鋰電(diàn)池(chí)的性(xìng)能(néng)影(yǐng)響是最(zuì)大的
，需要(yào)注液前(qián)在裝(zhuāng)配車間(jiān)將鋰離(lí)子電池(chí)電(diàn)芯內部(bù)的水分去除
，以(yǐ)免影響(xiǎng)鋰電(diàn)池質量。

在電芯烘烤的負壓環境(jìng)之中
，電(diàn)芯盛放在(zài)烘烤箱(xiāng)內架體(tǐ)上(shàng)
，通(tōng)過(guò)充入(rù)惰性氣(qì)體進行烘(hōng)烤幹(gān)燥處理(lǐ)。然而在(zài)實(shí)際(jì)烘烤(kǎo)過(guò)程中(zhōng)由於(yú)電芯內(nèi)部的(dí)溫度與水分(fēn)變(biàn)化(huà)過程並不(bù)可(kě)見
，導致(zhì)了(liǎo)烘烤箱內(nèi)部(bù)環境與(yǔ)烘烤(kǎo)時間的盲目(mù)性(xìng)
，便(biàn)直接影響了(liǎo)電(diàn)池質量
，這種影(yǐng)響(xiǎng)是(shì)電(diàn)芯注液與最終的電(diàn)池烘烤等(děng)後期(qī)工(gōng)藝(yì)挽(wǎn)回不了的(dí)。

因此(cǐ)對(duì)電(diàn)芯在烘烤(kǎo)時電(diàn)芯內部的溫度(dù)變(biàn)化(huà)與水(shuǐ)分蒸發的研(yán)究十分有必要。待烘烤(kǎo)電(diàn)芯(xīn)隻有(yǒu)上端(duān)供有(yǒu)注電解(jiě)液(yè)的開口(kǒu)
，水分(fēn)幾(jī)乎(hū)也是(shì)通過電芯上端蒸發去除
，電芯(xīn)暴(bào)露於(yú)傳熱(rè)輻射和(hé)惰性氣(qì)體的(dí)對流(liú)傳(chuán)導(dǎo)
，傳(chuán)熱到電芯過程中(zhōng)
，一方麵(miàn)用於(yú)提高電(diàn)芯溫度(dù)另(lìng)一方麵用於電(diàn)芯(xīn)內(nèi)自由水蒸發。其蒸發位置(zhì)示意(yì)圖與某(mǒu)型號(hào)電芯尺寸如圖1所(suǒ)示。

圖(tú) 1 電芯(xīn)烘(hōng)烤(kǎo)示(shì)意圖(tú)

二，電(diàn)芯烘烤(kǎo)熱傳(chuán)導(dǎo)理(lǐ)論(lùn)分析

在烘(hōng)烤過(guò)程中
，熱(rè)源(yuán)在烘烤(kǎo)箱上端
，電(diàn)芯(xīn)與烤箱上(shàng)下夾板之間留有一(yī)定間隙
，用(yòng)於(yú)保證(zhèng)電芯擁(yōng)有(yǒu)合(hé)適的(dí)烘烤(kǎo)溫(wēn)度
，也利於(yú)蒸(zhēng)發的(dí)水(shuǐ)分(fēn)通過間隙(xì)擴(kuò)散出烤(kǎo)箱以(yǐ)外。電(diàn)芯在(zài)烘烤(kǎo)時(shí)的溫(wēn)度變化可通(tōng)過(guò)傅裏葉熱(rè)傳導(dǎo)定律計(jì)算(suàn)：

式中
，ρg為電芯內部正負(fù)極片平均密(mì)度; Cp為電芯比熱容; T為電芯(xīn)溫度; K為電芯熱傳導(dǎo)熱(rè)效率(shuài); x，y，z為空間(jiān)坐(zuò)標函(hán)數; L為(wéi)電(diàn)芯內(nèi)部(bù)的水(shuǐ)分氣化(huà)潛(qián)熱(rè); M為電芯(xīn)內(nèi)部(bù)水(shuǐ)分含量。電芯(xīn)的(dí)邊界條件(jiàn)設定為(wéi)：

式中
，Tr，Ts，Tair分(fēn)別(bié)為(wéi)烘(hōng)烤(kǎo)箱內熱(rè)源(yuán)設(shè)定溫度，電芯表麵(miàn)溫度(dù)，烘(hōng)烤箱(xiāng)內(nèi)部環境(jìng)溫度(dù); DW為電芯內部水分(fēn)擴(kuò)散係數;ρW為液(yè)態水密(mì)度。

熱傳導係數(shù)分(fēn)為2部(bù)分
，hr為熱輻(fú)射源(yuán)熱傳導係數(shù)
，hc為烤箱內對(duì)流熱傳(chuán)導(dǎo)係數(shù)
，其中(zhōng)

式中
，σ為斯蒂(dì)芬-玻爾(ěr)茲曼常數(shù); hc=0.5; εp與εr分別為電芯(xīn)與熱(rè)源(yuán)的熱輻射係(xì)數(shù); Fsp為烤(kǎo)箱電芯外兩個平行(háng)夾板的形狀(zhuàng)係(xì)數
，其計算(suàn)公式為：

式中Lsp為(wéi)烤(kǎo)箱內(nèi)熱(rè)源(yuán)與電(diàn)芯(xīn)表麵之間(jiān)的距離; asp與(yǔ)bsp為電(diàn)芯長(cháng)度與(yǔ)寬度
，其中各係數(shù)由(yóu)上列結(jié)果帶(dài)定。

為便於(yú)分析說明(míng)電芯(xīn)不同(tóng)位置溫度與(yǔ)水分(fēn)變(biàn)化
，將(jiāng)電芯(xīn)分為表(biǎo)麵，中(zhōng)間(jiān)與(yǔ)底部(bù)三(sān)個(gè)部分(fēn)
，電芯表(biǎo)麵部分離熱源最近(jìn)。計算可得到不同時(shí)刻(kè)電(diàn)芯三個部分的溫度變化
，如(rú)圖2所示。

圖 2 電芯(xīn)內部(bù)溫度與時(shí)間(jiān)變(biàn)化曲(qū)綫圖

結(jié)果表(biǎo)明(míng): 在烘烤開始時
，電芯(xīn)各(gè)個(gè)部位測(cè)量均(jūn)為(wéi)慢慢升(shēng)高(gāo)的(dí)趨勢
，表麵溫(wēn)度(dù)升高最快
，底部升高(gāo)最(zuì)慢
，烘烤近95 min左(zuǒ)右後(hòu)
，電芯(xīn)各(gè)個部位逐(zhú)漸(jiàn)達到最高溫度
，與(yǔ)烤箱內部溫(wēn)度達到一(yī)致(zhì)。

三，電芯水(shuǐ)分(fēn)蒸發機理(lǐ)研(yán)究(jiū)

水份的蒸發(fā)過程中(zhōng)
，濃度梯度(dù)的作用(yòng)效果(guǒ)對(duì)幹燥的影(yǐng)響(xiǎng)不(bù)僅隻發(fā)生在表麵
，對內(nèi)部依然(rán)具(jù)有(yǒu)相(xiāng)同影響。針對電(diàn)芯的(dí)水(shuǐ)分蒸發(fā)擴散過(guò)程(chéng)可(kě)以(yǐ)參照菲(fēi)克定律(lǜ)來計算(suàn)：

式中: D為電芯(xīn)內部的(dí)水分有效擴散係數
，其(qí)中同時包含了(liǎo)水(shuǐ)分(fēn)與水蒸汽擴(kuò)散。由(yóu)於電(diàn)芯(xīn)水分(fēn)含量微乎其微(wēi)
，烘(hōng)烤過(guò)程(chéng)中的溫度也不會(huì)造成(chéng)電芯(xīn)的(dí)屬性變化(huà)
，所以水分(fēn)烘幹過(guò)程中電芯材料(liào)的壓(yā)縮(suō)量與(yǔ)物(wù)理化(huà)學(xué)變(biàn)化可以(yǐ)忽(hū)略。設定邊(biān)界條件(jiàn)為(wéi)：

式(shì)中(zhōng)
，Mair與M0分別(bié)為初始狀況下烘烤箱(xiāng)內部與電芯(xīn)中(zhōng)的(dí)水(shuǐ)分(fēn)含(hán)量;hv為電芯(xīn)內部的(dí)水(shuǐ)分傳(chuán)至(zhì)烤箱環境中(zhōng)的(dí)傳遞係數。

電芯內部的(dí)水分(fēn)蒸(zhēng)發(fā)過(guò)程(chéng)可通過CFD仿真軟件進行簡(jiǎn)化的二維(wéi)仿(fǎng)真(zhēn)進行分析
，但是對於(yú)復雜的流動問(wèn)題(tí)
，僅靠(kào)Fluent自(zì)帶(dài)的(dí)模型，初邊界條件和(hé)材料(liào)物性(xìng)不(bù)可能完(wán)成實際(jì)需要
，這(zhè)就(jiù)需要利(lì)於函(hán)數(shù)進行(háng)控製。UFD使用DEFINE宏來(lái)定(dìng)義
，通過(guò)C語言(yán)編(biān)寫(xiě)
，將電芯內(nèi)部(bù)的溫度(dù)與水(shuǐ)分(fēn)傳(chuán)遞(dì)函數與邊(biān)界條(tiáo)件(jiàn)通過編(biān)程後
，將(jiāng)編寫(xiě)好的UFD加載(zǎi)到(dào)Fluent之中。其順序流(liú)程如(rú)圖3所示(shì)。

圖 3 烘烤(kǎo)電(diàn)芯(xīn)水(shuǐ)分蒸發(fā) Fluent 仿真(zhēn)流程圖(tú)

運用fluent仿(fǎng)真(zhēn)軟件對尺(chǐ)寸電芯內部進(jìn)行水(shuǐ)分蒸(zhēng)發速(sù)度的仿(fǎng)真分(fēn)析
，結(jié)果如圖4所示(shì)。

圖 4 不同(tóng)時(shí)間(jiān)電芯內(nèi)部(bù)水分蒸發速(sù)度仿真結(jié)果(guǒ)

通(tōng)過計(jì)算(suàn)
，在電芯(xīn)烘烤過(guò)程(chéng)中(zhōng)的(dí)電芯3個不同部位的(dí)含(hán)水量結(jié)果
，如圖5所示
，假(jiǎ)設(shè)電芯(xīn)在烘(hōng)烤之前
，各(gè)個橫縱(zòng)截(jié)麵含(hán)水量(liáng)一致。

圖(tú) 5 電芯內部含水(shuǐ)量(liáng)與(yǔ)時(shí)間變(biàn)化曲綫(xiàn)圖(tú)

結果表明: 在(zài)烘烤(kǎo)開始時
，電(diàn)芯(xīn)表麵水分蒸發(fā)速率(shuài)便很(hěn)快(kuài)
，之(zhī)後含水(shuǐ)量(liáng)慢慢(màn)減少(shǎo)趨於(yú)平(píng)緩
，電(diàn)芯(xīn)中間(jiān)部(bù)分在烘烤(kǎo)開始(shǐ)20 min左(zuǒ)右蒸發速(sù)度達到最大值(zhí)
，而電芯底部在烘烤(kǎo)開始(shǐ)時水分蒸(zhēng)發並不明(míng)顯
，在(zài)烘烤50 min左右水(shuǐ)分(fēn)含量(liáng)降低(dī)最(zuì)為(wéi)明顯。電芯烘(hōng)烤過(guò)程的(dí)數(shù)值(zhí)計算參數值如(rú)表1所(suǒ)示。

表 1 電芯烘烤過(guò)程(chéng)計算參(cān)數(shù)值

四，結論

電芯在注(zhù)液前的真空(kōng)烘(hōng)烤(kǎo)去除(chú)水分(fēn)過(guò)程十分(fēn)重要
，電芯(xīn)內部的溫(wēn)度變化(huà)與水(shuǐ)分含(hán)量可分別(bié)通過傅裏(lǐ)葉(yè)熱(rè)傳導定(dìng)律與(yǔ)菲(fēi)克(kè)定(dìng)律研究分析得到(dào)
，對(duì)電芯(xīn)實(shí)際(jì)烘(hōng)烤過(guò)程研(yán)究(jiū)與烘(hōng)烤(kǎo)工藝提升(shēng)均具(jù)有指(zhǐ)導意(yì)義(yì)。

針對(duì)尺寸(cùn)鋰電(diàn)池電芯
，溫度變(biàn)化從電(diàn)芯表麵至底層隨著時間均均匀升高(gāo)
，在(zài)95 min左(zuǒ)右(yòu)整(zhěng)個(gè)電(diàn)芯達到烘(hōng)烤溫(wēn)度; 電芯(xīn)含水(shuǐ)分變(biàn)化則不(bù)同(tóng)
，烘(hōng)烤(kǎo)開(kāi)始時(shí)電芯表麵(miàn)水分去(qù)除最快
，在(zài)中後期(qī)含(hán)水(shuǐ)量隨(suí)平(píng)穩(wěn)但是並未達(dá)到低(dī)的含(hán)水量(liáng)
，其原因(yīn)為電(diàn)芯(xīn)中部(bù)與(yǔ)底部的(dí)水(shuǐ)分均從(cóng)表麵(miàn)散(sàn)發出去
，電芯底(dǐ)部(bù)則在烘烤中後期(qī)水分去除(chú)達到最(zuì)大值(zhí)
，在烘烤(kǎo)最後整個電芯達(dá)到標準含(hán)水量。