电池电解液超声波注入设备的制作方法

本实用新型涉及一种电池电解液注入设备及方法，尤其涉及一种电池电解液超声波强化吸收注入设备及方法。

背景技术：

人们常说电解液是电池的血液，其实电解液对电池而言并不仅仅是电池的血液，因为电解液在电池反应中除了起到输送离子与内部离子导电作用外，绝大多情况下电解液也参与了电池的电极反应，也就是说在电池充放电过程中，特别是放电过程中，电解液或是电解液中的成份实际上是和活性材料一样被消耗的，因此电池中电解液注入量的多少，特别是电池中是否有足够的电解液是直接影响到电池容量和放电性能，尤其是电池的贮存性能。

锂电池电解液的加入量同样对电池性能有重大的影响，尤其是在小电流放电时的影响更大。在小电流放电的后期，电池中的电解液不足会导致电子内阻的异常增加，甚至达到两百多欧姆以上，从而导致放电提前结束甚至无法正常放电。

电池电解液的加入量，一方面决定于电池设计时内部空间的分配，而当电池设计定型后，则与生产工艺悉悉相关。电池设计定型后，要提高或确保电解液的加入量，尤其是对一些电极致密度高的电极，关键性的问题是在电池生产过程中的短暂的工序期间如何使电解液充分在电池及电极内部渗透与扩散，并被电极充分吸收。

电解液对电池性能的影响除了电解液的整体加入量的多少，还有一个重要因素是电解液在电池电极中的渗透与浸润情况，因为电池在充放电等电极反应时，直接影响到活性材料电极反应的是微观中每一个活性材料颗粒周围的电解液的量是否充足、消耗的电解液或电解液成份是否可以及时得到补充，以及保证电解液具有合理的离子浓度等，如果电解液在电极中没有充分的渗透与浸润，则会造成部分活性材料无法充分反应，从而影响到电池整体的性能，也导致电池均一性的差异。相当长一段时间我国动力锂电池在国外市场上与国外先进产品的差异主要体现的就是产品性能的均一性，电解液在电极中的充分渗透与浸润实际上是一个重要因素。

随着动力锂电池技术等对电池容量的追求，电池中的极板、隔膜越来越追求极致的高密度，不但占用更多的电池部空间，也导致电解液在极板中及极板之间的渗透更为困难，因此尽管使用真空加注以及真空多次加注等技术，但由于电池极板的高密度，电解液在极板及极板之间的渗透困难，因此电解液加注的问题一直存在。

同时由于极板性能波动，以及一些极板吸液与渗透性等问题，直接一次性加电解液很难完全达到满意的效果。

电池的其中一个质量问题是由于电解液在电极中的渗透不完全，部分电极没有电解液而失效。这是因为随着电池容量超做越高，电极的密度与致密性也越来越高，由于电解液的注入时间有限，无法保证电解液在电池中有充分的扩散、渗透时间，从而造成电解液注入与渗透、浸润不良。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电池在电解液注入过程中能够快速渗透、浸润与吸收的电池电解液超声波注入设备及方法。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：电池电解液超声波注入设备，其特征在于包括至少可以放置一个待注液电池的基座、与各待注液电池对应的注液装置和超声波发生装置，所述的注液装置包括用于定量注入电解液的注液计量泵和用于将电解液注入到各电池中的注液针，所述的超声波发生装置用于发生超声波并将超声波传导到各电池的电解液或电极卷中。

本实用新型进一步的优选方案为：所述的超声波发生装置包括超声波发生电源、超声波换能器以及超声波传导装置，所述的超声波换能器安装在基座上或者安装于注液针上；

1)当超声波换能器安装于基座上时，超声波通过超声波换能器所安放的基座及与安放在基座上并与基座接触的电池的金属壳体向电池中的电极卷及电解液传导；

2)当超声波换能器安装于注液针上时，注液针作为超声波传导装置将超声波换能器产生的超声波传导到电池的电解液与电极卷中。

本实用新型进一步的优选方案为：所述的超声波传导装置包括基座和电池金属壳体，或者注液针，或者是从超声波换能器上接出的传导金属片或传导金属棒。

本实用新型进一步的优选方案为：所述的注液装置还包括真空罩上的中继贮液槽及控制中继贮液槽出液口的注液针阀，注液针的上端与中继贮液槽出液口的注液针阀连通；注液计量泵的进液口与电解液贮罐连通；

所述的真空罩上设置有容纳整个电池或电池上端的真空腔体，真空腔体的上部设置有带弹簧的压头，所述的压头压在所述的电池金属壳体的上端；

真空罩上设置有与真空腔体连通的真空抽气口及用于真空破坏的带空气滤芯的放气口与放气阀。

本实用新型进一步的优选方案为：所述的注液针上连接有注吸液双泵机构，所述的注吸液双泵机构包括所述的注液计量泵、吸液计量泵、注吸液管路缓冲罐和电解液贮槽，注吸液管路缓冲罐利用注液计量泵注液时在进液口产生的负压从电解液贮槽中吸入电解液，注液针通过并列的注液计量泵和吸液计量泵与注吸液管路缓冲罐连通，吸液计量泵的出液口与注吸液管路缓冲罐之间设置有过滤器。

本实用新型的第二个主题：电池电解液超声波注入方法，其特征在于当超声波换能器安装在基座的情况下，电池抽真空后期或真空度达到时，向电池内的电极卷发送超声波；在电池全部或部分注入电解液后，向电池内的电解液与电极卷发送超声波；

或当超声波换能器安装在注液针，以及从超声波换能器接出传导金属片或传导金属棒的情况下，在电池全部或部分注入电解液后，向电池内的电解液与电极卷发送超声波。

本实用新型进一步的优选方案为：具体步骤如下：

1)装有电极卷的电池在基座上就位后，压上带注液针的真空罩，并对电池抽真空，期间注液计量泵向中继贮液槽注入本次要注入的计量电解液；

2)真空度达到后，打开中继贮液槽出液口的注液针阀，向电池注入中继贮液槽中的电解液；

3)真空破坏；

4)开启超声波1-5秒；

5)关闭超声波，注液结束。

本实用新型进一步的优选方案为：超声波换能器安装在基座上；具体步骤如下：

1)装有电极卷的电池在基座上就位后，压上带注液针的真空罩；期间注液计量泵将本次要注液的计量电解液加注到中继贮液槽中；

2)电池抽真空，抽真空后期小功率开启超声波；

3)真空度达到后，保持真空1-5秒，超声波持续小功率开启；期间注液计量泵向中继贮液槽注入下次注液用电解液；

4)关闭超声波，打开中继贮液槽出液口的注液针阀向电池加入中继贮液槽中的电解液；

5)真空破坏；

6)全功率开启超声波1-5秒；

7)关闭超声波，注液结束。

本实用新型进一步的优选方案为：超声波换能器安装在基座上，包括如下具体步骤：

1)装有电极卷的电池压上带注液针的真空罩；

2)电池抽真空；

3)真空度达到后保持真空1-5秒，同时开启超声波；期间注液计量泵向中继贮液槽注入本次要注液用的计量电解液；

4)关闭超声波换能器，打开中继贮液槽出液口的注液针阀，向电池注入中继贮液槽中的电解液，使电解液漫过电极卷；

5)真空部分破坏；期间注液计量泵向中继贮液槽注入余量电解液；

6)打开中继贮液槽出液口的注液针阀，加入剩余的电解液，真空破坏；

7)开启超声波1-5秒；

8)关闭超声波，注液结束。

本实用新型进一步的优选方案为：注液针上连接有注吸液双泵机构，其特征包括如下具体步骤：

1)装有电极卷的电池抽真空，真空达到后通过基座向电池传导超声波若干秒；期间注液计量泵向中继贮液槽注入本次注液用的计量电解液；

2)打开中继贮液槽出液口的注液针阀，向电池注入电解液，使电解液漫过电极卷；

3)部分破坏真空腔体内的真空，期间注液计量泵向中继贮液槽注入第二次注液用的电解液，然后打开中继贮液槽出液口的注液针阀再次加入电解液，使电解液的总加入量超过需要量的10％-30％，同时开启超声波；

4)真空破坏，持续开启超声波若干秒，

5)用吸液计量泵通过注液针回吸多余的电解液；

6)提起注液针，注液结束。

与现有技术相比，本实用新型的优点一是在电池抽真空后，对电极施加超声波，从而进一步排出电极结构内部封闭微腔中的空气，从而提供了更多的电解液吸收空间；同时，电池在部分或全部注入电解液后，对电池中的电解液与电极施加超声波，通过超声波的强烈振动不但可以加快电极对电解液的吸收与浸润，而且利用超声波强大的振动可以强制将电解液压入到常压下无法渗入的一些电极微孔隙中，从而改善电解液的吸收与浸润、增加电解液的注入量。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中注液装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一的注入设备局部结构示意图；

图3为本实用新型实施例二中注液装置的结构图(超声波换能器安装在注液针上)；

图4为本实用新型实施例二的注入设备局部结构示意图；

图5为本实用新型实施例三的注入设备结构示意图(注吸液双泵结构)。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

超声波注液能解决传统的电池注液过程中的两个问题。

第一个问题是电解液在极板间的扩散问题：一方面超声波使极板产生振动，瞬间形成一道道间隙，又瞬间闭合，这种间隙瞬间产生又闭合形成一种泵阀效应，大大加速电解液在电极间及电极内部的扩散。

另一个问题是电解液在极板中的渗透与浸润问题：电解液被极板吸收的过程是渗透进入到极板的微孔间隙中并浸润极板表面的过程，而极板的这些微孔间隙一方面由于存在着空气，尤其是盲孔中的空气会阻挡电解液渗入，另一方面一些亲液性不是很好的材料由于其表示接触角小，也会形成对电解液渗入的排斥力，特别是孔径较小的微孔其表面张力产生的排斥力更大，超声波可以使电解液产生高频而又强有力的冲击力，电解液产生的在这种高频而又强有力的冲击力下可以抵销这些表面张力形成的排斥力而进入到这些微孔中，从而不但可以快速渗透进入到正常的微孔中，而且还可以进入到正常也无法进入到更小的微孔中，从而不但加快了电解液的吸入，而且也增加了电解液的吸收能力。

同时，超声波还有另外一个作用：电池的电极分别由活性材料与导电材料等粉体材料再加上粘结剂粘结而成，电极中不可避免存在着一些被粘结剂包围的闭孔，这些闭孔正常情况下电解液无法进入，即使是通过抽真空的方法，也由于往往无法把闭孔中的空气抽出而无法解决这些闭孔的电解液进入问题。使用超声波则可以在抽真空时，通过高频振动使这些闭孔中的空气排出，使这些闭孔成为开孔，从而使电解液可以充全渗透进入。

如图1和图2所示,实施例一：电池电解液超声波注入设备，包括可以放置多个待注液电池1的基座2、与各待注液电池1对应的注液装置和超声波发生装置，注液装置包括用于定量注入电解液的注液计量泵3和用于将电解液注入到各电池1中的注液针4，超声波发生装置用于发生超声波并将超声波传导到各电池1的电解液或电极卷中。

注液装置还包括真空罩5上的中继贮液槽6及控制中继贮液槽6出液口的注液针阀 61，注液针4的上端与中继贮液槽6出液口的注液针阀连通；注液计量泵3的进液口与电解液贮罐7连通；

真空罩5上设置有容纳整个电池或电池上端的真空腔体8，真空腔体8的上部设置有压头10及压头弹簧9，压头10压在电池1金属壳体的上端用于压住电池。

真空罩5的侧壁上设置有与真空腔体8连通的真空抽气口11及及用于真空破坏的带空气滤芯的放气口110与放气阀。放气口110由空气滤芯、电磁阀及通孔组成。

超声波发生装置包括超声波发生电源、超声波换能器12以及超声波传导装置。

当超声波换能器12安装于基座2上时，超声波换能器12通过基座及安放在基座2 上与基座2接触的电池1的金属壳体向电池1中的电极卷或电解液传导超声波。

待注液电池1放入到基座2上后，注液装置向下压在基座2上，真空罩5与基座2 间形成真空密封的真空腔体8，真空腔体8通过抽真空口11抽真空可以形成真空，真空结束后可以通过打开真空破坏口110放入空气、破坏真空；同时压头弹簧9和压头10 压住电池，使电池1与基座2紧紧贴合，基座2与电池壳体就组成超声波传导装置，安装在基座2上的超声波换能器12产生的超声波由基座2传导到电池壳体再传导进入电池壳体内的电极卷及电解液。

超声波换能器12安装于基座2上的第一种电解液注入方法，其具体步骤为：

装有电极卷的电池在基座上就位后，压上带注液针的真空罩，期间注液计量泵将本次注液的计量电解液加注到中继贮液槽中；计量电解液为由计量泵按设置的量输出的、符合注液量要求的电解液；

2)电池抽真空；抽真空后期小功率开启超声波；

3)真空度达到后，同时保持真空1-5秒，超声波持续小功率开启；期间注液计量泵向中继贮液槽注入下次注液用的电解液；

4)关闭超声波，打开中继贮液槽出液口的注液针阀、向电池加入中继贮液槽中的电解液；

5)真空破坏；

6)全功率开启超声波1-5秒；

7)关闭超声波，注液结束。

超声波换能器安装于基座上的另二种注入方法：其具体步骤为：

1)装有电极卷的电池压上带注液针的真空罩；

2)电池抽真空；

3)真空度达到后保持真空1-5秒，同时开启超声波，期间注液计量泵向中继贮液槽注入本次注液用的计量后的电解液；

4)关闭超声波换能器，打开中继贮液槽出液口的注液针阀、向电池注入中继贮液槽中的电解液，电解液漫过电极卷；

5)真空部分破坏，期间注液计量泵向中继贮液槽注入余量电解液；

6)打开中继贮液槽出液口的注液针阀，加入剩余的电解液，真空破坏；

7)开启超声波1-5秒，

8)关闭超声波，注液结束。

真空破坏：在真空腔体内放入空气(注意放入的空气需要过滤，并且由于注液通常是在氮气中进行，因此放入的空气通常是氮气)进行真空破坏。在放气过程中施加超声波的目的是利用超声波的强烈振动将电解液压入到已经抽成真空的微孔中，这是因为某些材料由于表面张力较大，电解液即使通过抽真空抽去电极中的空气后，再利用大气压力对于某些较小微孔也很难接近进入由这些材料组成的微孔中，而超声波通过强烈振动，对微孔表面的电解液通过液相力的传导产生强大的高频压力，在高频振动中电解液的压力会超过表面张力而将其压入到微孔中。

如图3和图4所示，实施例二：其他部分与实施例一相同，不同之处在于当超声波换能器12安装于注液针4上时，注液针作4为超声波传导装置将超声波换能器12产生的超声波传导到电池1的电解液与电极卷中。

或者超声波传导装置是从超声波换能器12上接出的传导金属片或传导金属棒，通过传导金属片或传导金属棒将超声波换能器12产生的超声波传导到电池1的电解液与电极卷中。

超声波换能器12的中间焊上注液针4，再安装在中继贮液槽6出液口的针式注液电磁阀上。

本实施例由于将注液针4用于超声波传导，注液针4直接焊在超声波换能器12上，因此超声波传导的效率比较高，同时超声波扩散造成的声波污染相对较小。

与此对应的超声波注入方法；其具体步骤如下：

1)装有电极卷的电池在基座上就位后，压上带注液针的真空罩，并对电池进行抽真空，同时注液计量泵向中继贮液槽注入本次注入的计量电解液；

2)真空度达到后，打开中继贮液槽出液口的注液针阀、向电池注入中继贮液槽中的电解液；

3)真空破坏；

4)开启超声波1-5秒；

5)关闭超声波，注液结束。

如图5所示，实施例三：其他部分与实施例一相同，不同之处在于注液针4上连接有注吸液双泵机构。超声波的传导方式，可以采用实施例1的壳体传导法，或者实施例 2的注液针4以及导电金属片传导超声波的方法，在实施例三中不再详细阐述。

注吸液双泵机构除了包括常规的注液装置，如注液计量泵3、注液针4，以及中继贮液槽6以及装在中继贮液槽6出液口的注液针阀61、电解液贮槽7外，还有用于回吸电解液的吸液计量泵14以及控制电解液回吸回路的磁控阀20、注吸液管路缓冲罐15，其中磁控阀20的一端为吸液计量泵14的进液口，另一端则接在从注液针阀61后面的注液针引出的旁管上，与注液针连通。另外，电解液管路从电解液贮槽7出来首先接有一个注吸液管路缓冲罐15，注吸液管路缓冲罐15一端接电解液贮槽7，另一端则分别接注液计量泵3的进液口和吸液计量泵14的出液口，并且在与吸液计量泵14的出液口之间装有一过滤器18。注液时，吸液回管中的磁控阀20关闭，注液计量泵3先将计量的电解液注入到中继贮液槽6中，再通过注液针阀61注入到电池中，在注液计量泵3向中继贮液槽6注入计量的电解液时，全密封的电解液管路产生的负压使注吸液管路缓冲罐15从电解液贮槽7中吸入电解液；回吸电解液时，注液针阀61关闭，吸液计量泵14 通过注液针4定量回吸电解液，回吸的电解液从吸液计量泵14的出液口出来后，通过正压通过电解液过滤器18进入到注吸液管路缓冲罐15，注吸液管路缓冲罐中的电解液再在正压作用下回流到电解液贮槽7。注吸液管路缓冲罐15利用注液计量泵3注液时在进液口产生的负压从电解液贮槽7中吸入电解液。注液针通过并列的注液计量泵和吸液计量泵与注吸液管路缓冲罐连通。

双泵注吸液机构的工作原理：

初始状态：注液针阀61和吸液磁控阀20常闭；

注液时，先是注液计量泵3动作，将计量的电解液注入到中继贮液槽6中，然后再通过打开注液针阀61将电解液注入到电池中。本次注液完成后注液针阀61关闭。注液计量泵3向中继缓冲罐6注液时，注液计量泵3进液口形成的负压将电解液从注吸液管路缓冲罐15中吸入，封闭型的注吸液管路缓冲罐15再从电解液贮槽7中利用负压吸入电解液；

吸液时，吸液管路上的吸液磁控阀20打开，吸液计量泵14动作，吸液完成后，吸液磁控阀20关闭。吸液计量泵14吸入的电解液通过一过滤器18返回到注吸液管路缓冲罐15中。

为了防止回液的电解液再回流到电解液贮槽7中，注吸液缓冲罐15尽量设置在靠近注液计量泵3的位置，同时尽可以增加注吸液管路缓冲罐15与电解液贮槽7的距离，同时在注吸液管路缓冲罐15中设一些挡板以防止回吸的电解液回流进入到与电解液贮槽7连接的进液管。

注吸液双泵机构对应的注入方法，其具体步骤为：

1)装有电极卷的电池抽真空，真空度达到后通过基座向电池传导超声波若干秒，期间注液计量泵向中继贮液槽注入本次注液用的计量电解液；

2)打开中继贮液槽出液口的注液针阀，向电池注入电解液，并使电解液漫过电极卷，

3)部分破坏真空腔体内的真空，期间注液计量泵向中继贮液槽注入第二次注液用的电解液，然后打开中继贮液槽出液口的注液针阀再次加入电解液，使电解液的总加入量超过需要量的10-30％，同时小功率开启超声波；此处的小功率为全功率的1/4-1/2左右。真空部分破坏是指真空腔体的气压不足1个大气压。

4)真空破坏，持续开启超声波若干秒；破坏真空，是指真空腔体内的气压与大气压相等。

5)用吸液计量泵通过注液针回吸多余的电解液；

6)提起注液针，注液结束。

以上对本实用新型所提供的电池电解液超声波注入设备及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。