1. 引文 锂离子电池自 1991 年由日本索尼公司投入商业化使用以来，一直朝着能量密度不断提高的方向发展。彼时，质量能量密度为 80Wh/kg，体积能量密度为 200Wh/L；时至今日，质量能量密度已达 300Wh/kg，体积能量密度提高至 720Wh/L。历经 30 年的发展历程，质量能量密度与体积能量密度均提高了近四倍，如图 1 所示。

随着能量密度的持续提升，电池的制造工艺也在不断挑战极限。例如厚极片涂布、高压实密度以及高装配比等工艺，这些极限挑战均给注液带来了极大的难度。

图1.锂离子电池体积能量密度和质量能量密度

2.注液速度影响因素

注液速度的影响因素主要体现在以下三个方面：

其一，极片孔隙长度。如式 1 所示，活性物质孔隙长度 l 与浸润速度 Vmax 呈反比关系。孔隙长度越长，浸润速度则越慢。例如厚极片涂布会使活性物质的孔隙变长。

式 1：Vmax=d²△p/16μl。其中，Vmax 为最大浸润速度，单位为 m/s；d 为管直径，单位为 cm；μ为流体运动粘度，单位为 m²/s；l 为管长度，单位为 cm；△p 为管道两端压力差，单位为 kgf/cm²。

其二，高压实密度。同样依据式 1，孔隙管径 d 的平方与速度 Vmax 成正比。当管径减小二分之一时，浸润速度会减小四分之一。比如高压实密度会使活性物质颗粒排列更为紧密，孔隙 d 变小，进而导致电解液浸润速度变慢。

其三，大装配比。电解液总注液量等于隔膜孔隙体积、正负极片孔隙体积以及铝壳剩余空间体积之和，如式 2 所示。单体电芯容量的提高必然要求极片宽度变宽、卷芯厚度变厚，从而使整个铝壳的剩余空间变小。如此一来，没来得及浸润的电解液便没有了存放空间，致使注液难度加大。

式 2：V 注液量=V 隔膜孔隙+V 负极片孔隙+V 正极片孔隙+V 铝壳剩余空间。

综上所述，在锂离子电池能量密度不断攀升的同时，注液难度也如同挑战珠峰一般艰巨。那么，又该如何改善注液速度呢？根据式 1 可知，增大压差△p 能够改善注液速度，这便是市场上引入高压注液的原因所在。

3.高压注液机原理

高压注液也被称为等压注液，其原理如图 2 所示。

步骤 1：对电芯和注液杯体抽真空。打开密封杆 E，关闭注液口 D 和氮气口 B，接着打开抽真空 A、C 口，将注液杯和电芯抽真空至-95kPa。

步骤 2：对注液杯体打液。关闭密封杆 E，关闭抽真空 A、C 口，打开注液口 D，向注液杯进行打液。打液后的杯体气压与电解液桶气压相同，处于微正压状态。

步骤 3：对电芯注液。关闭注液口 D，打开密封杆 E，由于电芯内部与注液杯存在压差，电解液便会流入电芯内部。

步骤 4：高/低压循环。待电芯注液完毕后，打开密封杆 E，同时打开 A、B、C 口，从氮气口 A 打入高压氮气（氮气压力为 1.0MPa，露点-40℃，纯度 99.999%）。由于密封杆 E、气口 A、B、C 都是打开的，此时腔体、注液杯和电芯内部相互联通，这便是打入高压氮气时电芯不膨胀的原因。进行正压保压 60s 后泄压，再抽负压，保压 20s，如此循环 3 至 5 次。

图2.高压注液原理

4.设备机构

1）腔体

腔体分为方腔和圆腔两种类型，二者各有优势。从耐压角度来看，圆腔能够承受更大的压力，安全系数更高。然而，圆腔的空间利用率却不及方腔。方腔能够与夹具更好地配合，空间利用率高，占地面积小，并且打正压所需的时间更短。因此，在进行选择时，可以参考厂房空间大小。如果空间充裕，可以配备圆腔；反之，则配备方腔。

2）注液杯

注液杯内壁要求具有较高的光泽度，粗糙度 Ra≤0.8，以减少电解液挂壁量，提高注液精度。此外，也可以在每次打液前对注液杯进行氮气吹扫，清除杯壁上的残余电解液。

注液杯体可以安装在腔体内部，也可以安装在腔体外部。若安装在外部，能够增加腔体的利用率；但安装在腔体外部时，需要满足杯体耐压强度大于 1MPa 的要求。若安装在内部，则不需要满足耐压强度要求，从而降低了杯体的制造成本。杯体的安装位置应根据具体需求进行选择，二者各有长处。

由于本文高压注液原理示意图中仅涉及到腔体和注液杯结构，因此其他结构暂不展开叙述。

5.安全要求

高压注液压力大于 1MPa，相当于 10 个大气压强，属于特种设备，必须具备相关的资质证明。同时，在腔体上应配备泄压阀，一旦压力出现异常，泄压阀能够打开，以防止意外发生。

参考文献： 《锂离子电池过往与未来 | 2019 年诺贝尔化学奖解读》，索鎏敏，2020 年 10 月 7 日。 《锂离子电池制造工艺原理与应用》，杨绍斌，2019 年，化学工业出版社。