在电池制造工序中，电极浸润是电池活化过程中极其重要的一个环节。浸润效果的好坏直接决定了能量利用、循环寿命和功率密度。此外，电流均匀分布需要电解液的均匀浸泡，电流分布不均会导致局部高电流密度和析锂，不仅会加速活性材料的衰减，而且会导致热失效问题。

本文作者研究注液后浸润过程中电池的开路电压与浸润的关系，为后期监控电池浸润效果作为一个参考方向。

图1a显示了卷绕电芯的插图（NCM622正极和石墨负极，商用PE隔膜，1 M LiPF6碳酸盐电解液）。如图1b所示，电解液从两个开口侧流入隔膜和电极。图1c显示了电解液填充过程中实时OCV数据的轮廓。

分成四个阶段：

• 第一阶段：当电解液充满电池时，OCV从0V下降到大约−0.80 V
• 第二阶段：在−值0.80 V下沉降约200 ms后，大约−0.20 V
• 第三阶段：然后缓慢上升
• 第四阶段：72 h后，OCV稳定在0.10 V左右

为研究其后机理，采用H型电解槽测试注入过程中的电压变化。

图2a和图2-1显示了H型电解液池的结构。每个电极的面积为1 cm2。这两个电极通过添加约30 mL的液体电解液相互连接。

图2b显示了浸润过程中Al/Li和Cu/Li电池的OCV曲线，其中使用集流体（Al或Cu）和Li分别作为工作电极和参考电极。

• Al/L：随着铝箔与电解液的接触，OCV立即增加到2.30 V，并稳定了300 ms，然后，OCV下降到大约2.09 V，并保持稳定。
• Cu/Li：随着Cu箔与电解液的接触，OCV立即增加到约3.10 V，并稳定了约300 ms。然后，电压在500 ms范围内降至最终值2.16 V。
• Δ（Al/Cu）：Δ（Al/Cu）的OCV值下降到约−0.80 V，与全电池在300 ms范围内的最小值相同。然后，Δ（Al/Cu）的OCV值返回到大约−0.10 V。

图2-1 H型电解液池的结构

这些结果表明，OCV的初始快速下降反映了铝和铜集流体的电解液润湿过程。为了进一步证实这一点，将NCM622正极/石墨负极替换为Al和Cu箔。与预期的一样，Al/Cu在填充过程中表现出相似的OCV曲线，最小值为−0.80 V，最终值为−0.10 V。这一结果表明，在注入开始时的OCV是由于铝和铜之间电势差的结果。

图2c显示了H型电池不同电极OCV曲线。Li电极分别为3.16 V和3.04 V，Δ（Ca（NCM622）/An（Gr））值为0.12 V。因此，电极浸润完全OCV（约0.10 V）是NCM622正极和石墨负极之间电势差的结果。

为了进一步了解其浸润行为，仔细分析了集流体、电极材料和隔膜的表面化学性质。

图3a显示了电极和隔膜的表面形态，负极由层状颗粒组成，粒径为5-20µm，压实为1.65。NCM622正极由粒径为2-6µm，压实3.4。PE基膜具有多孔表面，孔径约为几十纳米。并且，研究采用氧化铝（氧化铝）陶瓷涂层隔膜（氧化铝@PE)改进润湿性作为对比实验。

此外，还测量了集流体、电极和隔膜的动态电解液接触角（CAs），观测它们的润湿性。

• 负极：在10 s内从20.5°显著下降到仅5.1°，正极也表现出良好的电解液润湿性。
• PE隔膜：在整个过程中，CA保持在36.9°左右，表明其电解液相容性较差。Al2O3@PE隔膜：在测试期间从20.2°下降到10.3°，显示了其优越的润湿性，氧化铝@PE样品的润湿性增强可归因于富含极性官能团的涂层。

通过测量电解液吸收（EU）表征各组分对电解液的吸附能力。如图3d所示，NCM622正极、负极、PE和氧化铝@PE隔膜的EU值分别为19.2 wt%、31.8 wt%、78.4 wt %和110.9 wt%。结果表明，本文使用的正极和负极比PE隔膜具有更好的润湿性，润湿性提高的氧化铝@PE隔膜具有加速电池润湿过程的巨大潜力。

通过原位超声扫描和OCV监测，观察用不同隔膜组装的细胞的电解液浸润过程。使用PE和氧化铝@PE隔膜电池OCV轮廓如图4所示。在测试开始时，它们的OCV都从0下降到大约−0.80 V。随着时间的推移，PE电池的OCV增加明显比氧化铝@PE电池慢。图4c为相应的原位超声扫描图像。蓝色表示未浸润区域，红色表示浸润饱和区域。

随着时间的增加，超声成像显示蓝色区域减小，最终消失。此外，PE和氧化铝@PE电池的OCV值从负值上升到0.10V，但PE电池的电压上升速度明显比氧化铝@PE电池要慢。通过对比OCV值和超声成像结果，可以看到氧化铝@PE电池比PE电池具有更好的电解液浸润速度。随着时间的增加，蓝色区域都会减小。36 h后，氧化铝@PE电池完全湿润，而PE电池仍有41.2%的面积处于半浸泡状态。此外，PE和氧化铝@PE细胞的OCV值分别增加到0.04 V和0.10 V。

图4d显示了电解液量对氧化铝@PE电池OCV的影响。当电解液体积小于3 mL时，由于电极不能完全湿润，OCV的上升速度较慢，不能达到0.10 V。当注入的电解液大于3 mL时，它们的OCV曲线之间的差值减小，由于电池完全湿润，它们所有的OCV值都可以达到0.10 V。

这些结果说明注液后电池OCV可有效检测电池浸润的状态和质量。

参考文献：[1] Cui H , Ren D , Yi M ,et al.Operando monitoring of the open circuit voltage during electrolyte filling ensures high performance of lithium-ion batteries[J].Nano Energy, 2022