锂电池10大关键制造工艺设备-干燥设备技术详解！
众所周知，水分对电池的性能影响是很大的，在电池的生产制造过程中必须严格控制。电池中的水分会造成电解液变质，或者和电解液反应生成有害气体，导致电池内部压力变大引起电池受力变形。电池水分过多还会造成电池的高内阻、高自放电、低容量、低循环寿命甚至电池漏液等，极大降低电池性能。因此，干燥工序在锂电池生产中必不可少。
随着下游动力及储能市场的需求爆发，中国锂电供应行业迎来高速增长期，2022年出货量达到655GWh。GGII预计到2025年中国锂电池市场出货量将达到1747GWh，2021-2025年复合增长率超过37%。在干燥工艺环节，价值量在整个锂电池产线占比5%，根据起点研究院（SPIR）调研统计，2022年中国锂电干燥设备市场规模为47亿元。预计2025年中国锂电干燥设备市场规模将达145亿元，相比2021年规模增长达到400%，未来3年将是锂电干燥设备的高速增长期。
新能源产业快速发展，为锂电干燥设备细分市场提供庞大市场空间。
随着锂电池和新材料在新能源领域运用的迅速增长，国家出台了一系列促进锂电池及其上下游产业发展的法律法规及相关政策和规范性文件，推动了产业健康可持续发展。
在碳达峰碳中和目标引领和下游旺盛需求带动下，我国锂离子电池产业实现高速增长，2022年中国锂电池出货量超650GWh，预计2025年中国锂电设备市场规模有望超过1500亿元。
进入双碳时代，世界经济将从能源的资源转型逐步走向能源的技术依赖，技术创新成了未来经济发展的重中之重。零碳路线伴随着热力需求问题的到来。利用各种余热的零碳热源市场潜力巨大。
干燥简介
干燥是一种通过给湿物料提供能量，使其包含的水分汽化逸出，并带走水分获得干燥物料的一种化工单元操作。目前工业上有大量的干燥设备，也有不同的分类方法，如图1所示。根据操作方式分类，可以分为连续干燥设备和间歇（批次）干燥设备；根据操作压强可以分为常压干燥设备和真空干燥设备；根据热传导方式又可以分为传导干燥设备、对流干燥设备、辐射干燥设备和介电干燥设备等类型。
图1 干燥设备的不同分类
电池中的水分主要来源于电池的原材料（包括正负极片、隔膜、电解液以及其他金属部件）中的水分以及工厂环境中的水分。对于环境中的水分，可以建立干燥车间，用干燥机生成干燥空气，不断地输进干燥车间，置换车间内的湿空气，进行环境水分的消除。对于电池内部的水分，由于干燥标准非常高，通常要求水分含量在(100~300)×10-6之间，所以一般需要用真空干燥设备来除水，干燥结束后，测试电池是否烘烤合格。在电池的生产制造过程中多个工艺流程需要真空干燥，如电池正负极粉料、电池正负极卷、注液之前的电芯等。因此真空干燥设备对于电池生产制造至关重要。
真空干燥原理
真空干燥利用的基本原理是不同气压环境下水的沸点不同。其变化规律如图2所示。
图2 水的沸点随气压的变化曲线
从图2中可见，在常压即一个大气压下，水的沸点是100℃，但是随着气压减小，水的沸点也不断降低。到100Pa左右的真空环境下，水的沸点已经降低到了-20℃左右。这也就是真空环境能够促进干燥过程进行的基本原理。
因此，真空干燥就是在低于一个标准大气压的环境条件下，去除物料中所含水分的过程。真空干燥的基本动力学原理是传热传质理论。真空干燥的过程中，真空系统抽真空的同时对被 干燥物料不断加热，使物料内部水分通过压力差或浓度差扩散到表面，水分子在物料表面获得足够的动能，克服分子间相互吸引力，飞入真空室的低压空间，从而被真空泵抽走。
真空干燥过程中水分的散失速率及单位时间内在单位干燥面积上干燥物料汽化并排出的水分质量为干燥速度，即
式中 v干燥速度，g/(m2·h)；m排出的水分质量，g；A干燥面积，m2；t干燥时间，h。
而在电池的干燥中，一般比较关注水分含量而非水分质量，而且电池中水分含量极小，蒸发的水分质量难以测量。考虑采用水分含量的变化代替单位面积水分质量的变化，上式可以转变为：
式中 v干燥速度，mg/(kg·h)；m排出的水分质量，mg；M物料总质量，kg；C水分含量，mg/kg；t干燥时间，h。
典型的真空干燥速度曲线如图3所示。水分散失过程分为三个阶段：加速干燥阶段，等速干燥阶段，减速干燥阶段。AB段为加速干燥阶段，此时物料内水分含量一定，由于抽真空和加热，物料在允许温度范围内被加热到相应压力下的汽化温度而大量汽化，干燥速度不断增加。由于传热传质特性的限制，干燥速度达到最大值，进入BC段即等速干燥阶段，此时物料温度保持不变，加热的热量用作汽化潜热和各项热损失，汽化蒸汽不断排出，保持了蒸发表面和空间的压力差，使干燥持续进行。当物料的水分含量减少到一定程度，蒸发出的水分减少，蒸发表面和空间压力差减小，转入CD段即减速干燥阶段，干燥速度逐渐下降而趋近于零。
图3 典型真空干燥速度曲线
真空干燥过程中影响干燥速度的因素很多。首先，被 干燥物料的形状、尺寸、堆置方法，物料本身的水分含量、密度等物理性质会影响干燥速度。其次，干燥设备的工作真空度会影响干燥速度，真空度高水分就可以在较低的温度下汽化，但是高真空度不利于热传导会降低加热效果。最后，干燥设备的结构形式、加热方式以及干燥工艺都会影响干燥速度。因此干燥时间和干燥速度计算难度很大。
目前对于电池干燥过程中水分变化的测量比较困难，因此这方面的实验研究还不多。但是研究电池中水分蒸发机理对于电池干燥工艺有重要的指导意义。关玉明等运用计算流体力学(CFD)仿真软件对电芯内水分蒸发速率进行分析，通过加载由菲克定律计算得到的电芯水分扩散函数编译语言来仿真分析完成，发现电芯表面水分蒸发速率在烘烤10min左右最快，而电芯底部在开始时水分蒸发速率很低，在50min左右最快，如图4所示。
图4 电芯内部含水量随时间的变化曲线图
电池真空干燥工艺
在锂电池生产过程中，需要经过合浆、涂布、辊压、分切、卷绕／叠片、焊接、封口、注液、化成、分容和组装等几个基本步骤，如图5所示。为了控制最终产品的水分含量，必须在不同的生产流程关键节点上设置水分控制点。其中典型的设计包括正极粉体材料的水分控制、极卷／极片的水分控制以及最关键的电芯注液前的水分控制。
图5 电池生产工艺流程
在锂离子电池生产过程中，正负极粉体材料一般需要在合浆之前进行水分控制，通过粉体制造的最后一段过程同步进行干燥。而合浆过程中，负极一般是水系浆料，正极一般是油系浆料。在浆料涂覆之后，进行一次初步干燥，这一步主要目的是去除浆料中的溶剂，形成微观多孔结构的电池极片。此步干燥之后，极片中仍旧残留较多的水分，之后主要有两个去除残留水分的干燥工序：a．在电池卷绕或叠片之前，对电池极片进行真空干燥，一般干燥温度为120～150℃，电池极片往往成卷或成堆干燥；b．在电池注液之前，对组装好的电池进行真空干燥，由于此时电池包含隔膜等部件，干燥温度一般为60～90℃。
干燥温度的设定并非随意，这跟锂电池注液前固态物质内水分的存在形式有关。根据固体物质分子与水分子作用力的性质及大小，水分的存在形式主要有三种，如图6所示。其一是附着水分，水分只是简单机械地附着于物质表面；其二是吸着水分，水分以物理或化学吸附的形式与固态物质结合；其三是化合水分，水分以结晶水合物的形式与物质结合。对于附着水分，在常温常压下即可自然挥发；对于吸着水分，在常压下105℃左右即可蒸发；而化合水分的蒸发在常压下通常需要达到150℃以上。而真空环境下，水分脱除温度可以大幅度下降。温度越高，水分脱除效果越好，但是温度也不能过高，因为组成锂电池隔膜的多为高分子材料，例如高密度聚乙烯和高密度聚丙烯等，而这些高分子材料在过高温度下会降解，造成严重的安全问题。因此，合理设置锂电池干燥温度是一个极为重要的问题，需要根据具体的材料体系来进行适当调整。
图6 固体物质内水分的存在形式
电池的干燥工艺一般包含预热、真空干燥、冷却三个阶段，由于真空段传热较慢，因此一般先在常压或者较高压力下进行预热，电池升到一定温度后再抽真空进行水分去除，干燥结束后冷却至室温避免电池材料的氧化，干燥后的电池应尽量避免与大气环境接触。干燥过程中的温度、真空度、预热时间、保持真空时间等工艺参数对干燥结果有重要影响，选择合适的工艺参数有利于干燥效率的提升。
刘颖等设计了一种利用废热内循环的节能干燥线。一种利用废热内循环的节能干燥线，包括上料机构，设置于上料机构一侧的输送线，输送线的两侧设有多个用于干燥电池电芯的干燥炉，输送线的末端设有用于冷却电池电芯的冷却炉，冷却炉及干燥炉连接于空气泵系统，通过空气泵系统为干燥炉和冷却炉分别提供热源和冷源，空气泵系统产生的热源输送至干燥炉，对电池电芯进行加热干燥，换热后降温的热源返回空气泵系统内再利用，同时将所述空气泵系统产生的冷源输送至冷却炉，对干燥后的电池电芯进行降温，冷源吸收电池电芯的热量后，产生的热废气返回空气泵系统回收利用，这样周而复始，持续利用，可以最大程度的提高空气热源泵的能效比，节能环保。
刘颖等设计了一种空气能热泵加热式电池真空烘烤设备。一种空气能热泵加热式电池真空烘烤设备，包括机架，机架的顶部连通有真空接口，机架的正面活动连接有密封门，机架的左侧设置有空气源热泵，空气源热泵的右侧连通有热泵介质入腔管道，空气源热泵的右侧连通有热泵介质出腔管道。首先关闭密封门后启动空气源热泵，然后由空气源热泵将介质加热后在热泵介质入腔管道流和热泵介质出腔管道与导热金属管的连通下在导热铝的内部进行流通，最后由导热铝与放置的电池进行烘烤干燥，从而具备了电池烘烤效果好且能量损耗低的优点，替代了现有电池烘烤设备对电池进行烘干时对空气气流流速进行阻挡的方式，提高了电池的烘干效率和烘干效果。
关玉明等设计了一种新型的电芯烘烤工艺，圆筒形的烘烤箱较方形的烘烤箱更能承受因烤箱内压力变化而导致的结构变形，使烘烤过程更稳定，可避免由于罐体变形对电芯烘烤带来的差异性。电芯的主要烘烤方向平行于进气管排出的热惰性气体流体方向，烘烤效果更佳，电芯开口向上更方便下一工序的电芯注液。另外运用热力学能量守恒定律，分析得到氮气在烘烤箱中的能量损失，损失主要由内部电芯升温耗能与流阻能量组成，分析得到注入热氮气的最佳初始进气速度与烘烤时间，为干燥工艺制定提供了理论依据。
王翔等公开了一种锂离子电池的极组水分阶段式烘烤工艺，包括：a．电芯送入烘箱，将烘箱加热并抽真空；b．烘箱温度调节至90～100℃且真空度为100～200Pa烘烤10～20min，通入氮气调至常压，保持90～100℃的温度烘烤10～20min；c．重复步骤b 8～12次；d．将烘箱抽真空至100～200 Pa并保持90～100℃的温度烘烤25～35min，通入氮气调至常压，保持90～100℃的温度烘烤10～20min；e．重复步骤d 5～6次；f．将烘箱抽真空至100～200Pa停止加热，冷却。
杨志明公开了一种隧道式烘烤锂离子电池或电池极片的方法，至少包括脉动真空预热步骤，脉动真空预热步骤在第一预定时间内将预温箱体内的温度升到第一预定温度，在第二预定时间内采用抽真空的方法将预温箱体内的部分水分排出，向预温箱体内回充干燥气体；再在第三预定时间内将预温箱体内的温度升到第二预定温度，在第四预定时间内采用抽真空的方法将预温箱体内的部分水分排出，向预温箱体内回充干燥气体；如此循环，直至预温箱体内的锂离子电池或电池极片温度达到工艺设计温度。
关玉明等公开了一种锂离子电池电芯的烘烤干燥工艺，采用锂离子电池电芯的烘烤生产线、氮气加热系统和真空系统；所述生产线包括第一内衬体、前门窗、电芯小车、左右运车装置、第二内衬体、侧门窗、手套箱和后门窗。该工艺通过在两个相同的内衬体中分别交替循环进行电芯烘烤工作和电芯小车出进罐工作，实现了均匀高效加热电芯；并通过粘贴在电芯小车内部的温度传感器实现对电芯烘烤温度的实时监控。
谢键公开了一种锂电池电芯干燥工艺，其包括如下步骤：水平放置加热板；在加热板上放置锂电池电芯，在重力作用下使锂电池电芯外表面中的最大面与加热板接触；在加热板上方再堆叠另一加热板，使锂电池电芯位于加热板之间；重复上述步骤二及步骤三第一预设次数，使相邻的加热板之间均设置有锂电池电芯；对堆叠在一起的加热板进行通电发热，对锂电池电芯进行烘烤。
目前一些研究人员和电池生产厂商对于极片电芯等烘烤工艺进行了研究，但是多数以专利形式公开，对于干燥机理的研究较少，各个厂商对于参数的选择各不相同，对于新的产品的工艺制定无法提供理论依据。
真空干燥设备基本组成及分类
目前锂电池行业使用的真空干燥设备基本实现了全自动运行，设备的基本组成包括供热组件、真空系统、干燥腔体、上下料台、中央控制系统等。
供热组件用于给干燥设备供热。供热组件根据供热热源的不同可以分为电加热、电磁感应加热、微波加热等。目前电池干燥设备较常用的是电加热方式。电加热又包括热风循环式加热和接触式加热。热风循环式加热由加热装置和风机共同作用，能够使干燥腔体内任何位置都达到干燥温度。接触式加热则更多利用加热装置直接接触电池将热量传导至电池，提高能量的利用效率，可以有效节省能耗。供热组件的主要设计要求是升温速率、温度的稳定性和温度的均匀性。因此对于温度的控制和监控非常重要，供热组件需配置相应的控温组件和检测组件。
真空系统和干燥腔体共同完成干燥设备的获取真空功能。真空系统包括真空获取系统如真空泵、真空阀门、真空管道和真空检测器件如真空规管等。真空系统的主要设计参数包括真空腔体的极限真空度、真空腔体的工作压力、真空腔体抽气口附近的有效抽速等。真空泵的选择应该根据空载时真空腔体需要达到的极限真空度和进行工艺生产时所需要的工作压力选择主泵的类型。由于电池干燥设备一般工作压力在中真空范围内，选择罗茨泵的情况较多。具体可以根据真空泵所需的名义抽速选择真空泵，计算方法如下。
泵有效抽速计算如下：
式中 Sp泵的有效抽速，m3/s；pg真空腔体要求的工作压力，Pa；Q真空腔体的总气体量，Pa･m3/s。
Q=1.3(Q1+Q2+Q3)
式中 Q1——真空工艺过程中产生的气体量，Pa･m3/s；Q2真空腔体的放气量，Pa･m3/s；Q3真空腔体的总漏气量，Pa･m3/s。
泵的名义抽速计算如下：
式中 Sm泵的名义抽速，m3/s；C真空腔体出口与机组入口间的管道通导，m3/s。
上下料平台用于对电池进行上下料，包括对电池进行组盘（拆盘）和堆垛（拆垛）、对电池托盘等进行扫码、NG情况的处理等。随着自动化要求的提高，电池的上下料已基本实现自动化，较少需要人工的干预。在上料处，条形码阅读器对电池和托盘扫码，扫码NG的电池置于NG平台处，电池机器人将扫码成功的电池装入托盘中，托盘装满后托盘机器人将托盘堆垛至上料台处，上料台堆满后进入干燥腔体中；干燥完成后，电池从干燥腔体中送出，托盘机器人将托盘一层层拆垛，电池机器人再从托盘中将电池取出进入下一流程。
控制系统对干燥系统的真空系统、供热组件还有运动组件进行控制。但是随着大数据和物联网的发展，这些功能已经无法满足当前的生产要求，软件系统对于干燥设备已经越来越重要。除了对硬件进行控制，软件还需要具备如下功能。
①能进行设备的故障诊断，显示当前故障、历史故障及故障处理方法。
②能显示所有传感器及执行机构的输入与输出信号及实时状态。
③能获取设备的实时状态，并统计24h内的设备状态和报警信息等。
④采集物料的种类、批次、型号和规格等信息，建立物料跟踪系统，对物料信息进行跟踪和追溯。
⑤能对生产过程进行跟踪和管理，采集物料干燥过程中的相关工位的工艺参数，包括温度、真空度等。
⑥能对历史数据进行查询，包括生产执行情况、设备使用情况、生产工艺控制情况等。
电池真空干燥设备目前没有统一标准，规格和形式各种各样。按照腔体形状，可以分为圆形腔体干燥设备、方形腔体干燥设备；按照供热方式，可以分为热风循环加热设备、接触式加热干燥设备、感应式加热设备等；按照干燥设备用于电池生产中的不同阶段，可以分为正负极粉体干燥设备、正负极卷干燥设备、电芯干燥设备等；按照干燥设备的出料方式，可以分为间歇式干燥设备、连续式干燥设备。
典型电池真空干燥设备
5.1 间歇式真空干燥设备
间歇式真空干燥设备是将多个传统的单体式干燥炉组合起来，再配备自动化上下料的机器人和中央调度机器人从而达到批量生产的目的，其结构示意图如图4-212所示。此干燥设备的灵活性比较高，每套设备配备的干燥炉个数和每个干燥炉的腔体个数都是可以根据具体需求进行配置的。
图7 间歇式真空干燥设备结构示意图
间歇式真空干燥设备工艺流程如图8所示。干燥设备上料平台与前一工序物流线对接，电芯从前一工序物流线对接进入上料平台，在上料平台进行定位和组盘，之后送入相应的干燥炉进行干燥，干燥结束后到下料平台进行拆盘以及电芯的冷却，之后进入下一工序的物流线。干燥炉的加热方式可以是热风循环式加热，也可以是接触式加热。整个流程由中央控制系统进行控制。
图8 间歇式真空干燥设备工艺流程图
间歇式真空干燥设备的技术参数如表1所示。
表1 间歇式真空干燥设备的技术参数
单体干燥炉是间歇式真空干燥设备的基础和核心单元，如图9所示。其结构通常包括真空干燥腔体、全自动密封门、机架、外封板、电箱、真空管路、氮气管路、控制系统等基本单元，如果采用运风式加热，还会包含热风循环管路和加热系统。
图9 四层真空干燥单体炉范例
5.2 连续式真空干燥设备
连续式真空干燥设备是将干燥工艺拆分为预热—真空干燥—冷却等多个工序，分别用不同的腔体或工位进行预热—真空干燥—冷却等工序，将这些腔体或工位之间用密封门连接起来，使得干燥变成一个连续的过程。另外再配备自动化上下料平台和传动系统完成物料的连续干燥，其结构示意图如图10所示。此干燥设备可以较大程度节省能耗，每套设备的工位数是可以根据具体工艺需求和产能进行配置的。
图10 连续式真空干燥设备结构示意图
连续式真空干燥设备工艺流程如图11所示。电芯从前一工序物流线对接进入上料平台，在上料平台进行定位、组盘和堆垛，之后送入预热腔体进行预热，预热结束后通过干燥过渡舱进入真空干燥舱进行抽真空干燥，干燥完成后进入冷却舱进行冷却，冷却后到下料平台进行拆垛和拆盘，之后电芯进入下一工序的物流线，托盘回到上料平台。预热舱的加热方式可以是热风循环式加热，也可以是接触式加热，真空干燥舱的加热方式可以是接触式加热，也可以是辐射式加热辅以热风循环式加热。整个流程由中央控制系统进行控制。
图11 连续式真空干燥设备工艺流程图
从图11可见，连续式真空干燥设备或称隧道式设备通常分为预热、真空干燥、冷却几个基本工段。典型预热段的结构如图12所示。
图12 连续式真空干燥设备典型预热段结构示例
图12中，风机带动内部气体向下流动，经过加热包加热，然后进入腔体，加热腔体内的待干燥物料，然后通过底部风口进入循环管道，回到风机，构成气体循环通道。预热段的主要作用是加热干燥物料使其快速达到真空干燥所需的工艺温度，因此预热段的升温速度和温度均匀性是其主要工艺指标。
干燥物料达到预设温度后就通过输送装置传输到真空干燥段。典型真空干燥段结构如图13所示。
图13 连续式真空干燥设备典型真空段结构示例
真空干燥的真空度通常在10～100Pa左右。由于处在真空环境，没有气体作为介质，因此无法采用对流传热。真空段通常在腔体周围布置加热系统，通过辐射给干燥物料补充能量。
为了防止极片氧化，真空干燥后的物料需要经过冷却才能离开设备，进入干燥房。因此，连续式真空干燥设备的最后一个功能段就是冷却段，典型冷却段结构如图14所示。
图14 连续式真空干燥设备典型冷却段结构示例
冷却段通常配置外置式的制冷机，提供冷却的惰性气体。气体通过风机进入腔体，强制对流冷却干燥物料，然后通过冷风循环管道回到制冷机，形成冷空气循环通道。冷却段可以在很短的时间内将干燥物料的温度降到接近室温，选择不同的制冷系统和风机流量，可以达到不同的降温曲线。
连续式真空干燥设备的技术参数如表2所示。
表2 连续式真空干燥设备的技术参数
连续式真空干燥设备由于整个工艺流程中从预热到冷却电池无须接触外界环境，因此设备无须在干燥房中工作，只有出料口需要干燥房，和间歇式的相比干燥房面积大大缩小。连续式真空干燥设备将各个工艺流程分开，无须反复升温和反复抽真空，因此能耗也节省很多。同等产能下，连续式真空干燥设备密封门数量更少，维护成本也更低。连续式真空干燥设备中所有产品经过完全相同的流程，间歇式真空干燥设备的每个干燥炉可能会稍有差异，因此连续式真空干燥设备的产品一致性更好。但是，连续式真空干燥设备的密封门连接两个不同的工艺流程，密封门需要双面密封，要求更高。连续式真空干燥设备需要传动设备对物料进行传输，传输过程中的摩擦容易产生粉尘等污染物料，因此必须考虑除尘装置进行除尘。连续式真空干燥设备的传动过程可能导致干燥后极卷松散，不太适合极卷的干燥。连续式真空干燥设备和间歇式真空干燥设备的对比如表3所示。
表4-17 间歇式和连续式真空干燥设备的对比
5.3 不同加热方式的真空干燥设备
温度是真空干燥的一个核心参数，而升温过程又是干燥工艺的一个重要阶段。目前设备上常用的加热方式有两种：运风式加热与接触式加热。运风式加热就是通过加热空气或者其他惰性气体介质，并以风机等器件强制其在腔体内流动，从而通过强制对流传热的一种加热方式，这也是工业上最常用的加热方式。通过精确的温度控制，运风式加热能够在腔体内达到非常均匀的温度分布，从而获得均匀的电池温度。
而接触式加热是近几年逐步扩大应用的另一种真空干燥加热方式，其基本原理是将电池放置在加热板上面或者在加热板中间，采用热传导的方式对电池进行加热。如图15所示，接触式加热的方法有单面（底部）接触、两面（两侧）接触、三面（底部加两侧）接触三种。
图15 接触式加热电池承载托盘截面图
从图15中可以看到，接触式加热的电池托盘通常带电。在上下料时电池托盘取出，置于上下料位置进行电池放入和取出；进行真空干燥时，托盘转移至真空腔体内的加热位置，通过弹性电触点进行供电和温度测量，对加热板的温度进行实时闭环控制。通过热传导的方式对电池进行预热，而在真空干燥阶段，由于热传导无须气体介质，所以能够持续为电池干燥补充能量。
运风式加热与接触式加热的使用各有优劣。运风式加热设备结构简单，可靠性高，且温度均匀性好，但是所需的加热时间较长。而接触式加热设备升温速度较快，但其结构较为复杂。由于热传导的动力来自温度梯度，故温度均匀性较差，需要较长的时间达到温度均衡。同时接触式加热电池托盘与腔体之间的电触点通常必须暴露在真空环境，容易造成真空放电问题，对生产造成较大影响。从成本的角度，运风式加热的设备由于结构、温控方面的优势，故成本较低；而同样产能条件的接触式设备成本会高出约30%～50%不等。
5.4 卷对卷真空干燥设备
卷对卷真空干燥设备是专门用来干燥电池极卷的干燥设备。由于极卷尺寸比较大，干燥时间一般也比较长，而且极卷内部和表面的水分含量会有差异。为了提高干燥效率和水分含量一致性，设计出了卷对卷干燥设备。卷对卷制程的概念来源于涂布等过程，对于薄膜材料卷对卷是一个更高效的方法。
卷对卷真空干燥设备主要包含真空腔体和真空获取设备，真空腔体内部包含极卷的开卷组件、加热组件和收卷组件。卷对卷真空干燥设备示意图如图16所示。不过目前卷对卷干燥设备还不是成熟的干燥设备，市场上现有设备很少，实际工业规模成功应用的设备则几乎未见。
图16 卷对卷真空干燥设备示意图
卷对卷干燥的工艺流程较为简单：将极卷放于开卷卷轴上，极片绕过各个轴以及加热辊，最后绕至收卷卷轴上。开卷卷轴和收卷卷轴同时转动，极卷在开卷的过程中经过加热辊被加热干燥去除水分，整个过程在真空腔体中进行。干燥完成后，从收卷卷轴上下料。
卷对卷制程的方案是成熟的，但是卷对卷干燥设备仍有许多问题需要解决。首先收放卷组件市场已经有成熟方案，但是为了提高干燥效率，收放卷的速度越快越好，对于极卷如此轻薄的材料，如果尽可能提高收放卷速度，可导致极卷破裂。另外收放卷组件都位于真空腔体中，应考虑如何在传动过程中避免粉尘的污染。最后极卷在高速传动过程中如何快速升温并保证温度均匀性的控制和检测，也是比较困难的。此外，设备的其他关于真空度和温度的要求应和前几种设备相同或在同一水平。
5.5 物流仓储式真空干燥设备
物流仓储式真空干燥设备是借用目前的物流系统，更高地提高干燥设备的效率和柔性化。物流仓储式真空干燥设备放弃了传统的大型干燥腔体，盖有盖子的托盘即为干燥空间，存储货架用于存放带有盖子的电池托盘。每一个仓储位都有真空对接系统和加热对接系统，用于给电池加热和托盘抽真空。物流仓储式真空干燥设备还没有实际应用，其结构示意图如图17所示。
图17 物流仓储式真空干燥设备结构示意图
在上料台处，机器人对电池进行组盘，盖上盖子。堆垛机将组好盘的电池及托盘放置在存储货架的相应存储位置上。货架上的真空系统和加热系统与托盘进行对接，对电池进行加热干燥。干燥完成后堆垛机将电池及托盘放置于下料台上，对电池进行拆盘，电池进入下一工序。
物流仓储式真空干燥设备借用了物流仓储的理念，因此对于物流调度软件的要求比较高。另外，对用于搬运电池和托盘的堆垛机要求也较高，才能实现该设备的高效。设备将托盘的空间作为干燥腔体，降低了腔体尺寸的同时，也大大提高了设备的柔性。但是这导致每个仓储位都要有加热对接装置和真空对接装置，这很大程度提高了设备成本和维护成本。该设备和间歇式真空干燥设备相比，相似性很高。区别在于该设备腔体更小且可移动，更加柔性化，适用于定制化生产。
锂电池真空干燥设备性能评估
6.1 真空性能评估
真空干燥设备的真空性能主要依靠腔体的抽气时间、极限真空度、真空密封性等参数进行评估。真空性能的测试一般在设备空载情况下测试。测试装置包括真空泵、真空阀、真空规与管道，以及真空计和计时器等。
极限真空度是腔体能达到的最低压力。极限真空度越低越有利于水分的蒸发，但是对于设备的要求也越高，因此需要在设备成本和极限真空度之间进行平衡。考虑到多数电池的干燥工艺是在几十帕或者一两百帕压力下完成的，即工作压力在20～1000Pa之间可以满足干燥要求，因此极限真空度在10Pa左右即可。
在系统连续抽气条件下，真空腔体内达到极限压力后，打开腔体15min，再关闭腔体对其再度抽气，第一次达到极限压力值所需的时间，定为该设备的抽气时间。一般抽气时间应在5～10min左右，如果不能达到要求应考虑更换真空泵以满足要求。
用真空管道连接真空腔体与真空泵的吸气口，使整个真空系统处于密封状态。开启真空泵，当真空度达到极限压力，关闭真空泵，保压24h，记录时间与压力曲线图，找出压力随时间变化曲线的线性段，计算出其斜率即为真空密封性数值（即每小时真空度上升数值）。真空密封性一般应小于5Pa/h。如果真空密封性不满足要求，应使用氦质谱检漏仪对腔体进行测试，改善腔体密封性。
6.2 温度性能评估
真空干燥设备的温度性能主要依据升温时间、温度波动度、温度稳定性、温度均匀性等参数进行评估。温度性能的测试一般也在设备空载情况下测试。温度性能测试装置包括热电阻、热电偶等温度传感器和温度记录仪。运风式加热以腔体内中心点作为测温点，接触式加热则以加热装置中心点为测温点。
升温时间是设备在加热装置以最大功率开启时，从室温升到电池干燥的工艺温度的时间。对于运风式加热，升温时间应不超过90min；而对于接触式加热，升温时间应不超过10min。温度波动度是设备在干燥工艺温度稳定一段时间后，测温点在规定的30min内最高温度和最低温度之差的一半。电池干燥设备的温度波动度应不大于±1℃。
温度稳定度是设备在干燥工艺温度稳定一段时间后，测温点在24h内多个时间段的测试温度值的平均温度与起始一段时间内温度平均值的最大差值。电池干燥设备的温度稳定不大于2℃。
温度均匀度是设备在干燥工艺温度稳定一段时间后，在任意时间间隔内，腔体内（运风式加热）或者加热装置上（接触式加热）任意两点的温度平均值之差的最大值的一半。对于运风式加热，测温点应为腔体中心点和腔体边缘多个测温点；对于接触式加热，测温点应为加热装置的中心点和加热装置边缘多个点。电池干燥设备的温度均匀度应不大于±3℃。典型的温度均匀度测试曲线如图18所示。
图18 典型的温度均匀度测试曲线
6.3 干燥后水分评估
牛俊婷等对电池极片残留水分与电池性能的关系进行了系统的研究。正极片水分含量在0.04%～0.05%间的电池循环性能良好，电流充放电循环200周后，电池放电容量仍保持为初始容量的92.9%。随着循环的进行，正极片水分含量超过0.06%的电池容量急速衰减，性能恶化。电池极片水分含量在0.03%～0.06%区间的电池放电比容较高且接近，随着放电倍率的增大，电池极片水分含量超过0.06%，容量衰减速度增大。由于过高的水分对于电池性能有较大的负面影响，目前电池干燥后水分普遍要求在500mg/kg以下，最好能够降低至200～300mg/kg。
由于电池干燥后水分含量较低，一般只有几百毫克每千克，无法用简单方法测量，一般采用卡尔·费休-库仑法测试微量水分，其原理是一种电化学方法。反应原理为水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应，反应式如下所示：
H2O+I2+SO2+3C5H5N2C5H5N·HI+C5H5N·SO3
从以上反应中可以看出，即1mol的碘氧化1mol的二氧化硫，需要1mol的水。所以电解碘的电量相当于电解水的电量，电解1mol碘需要2×96493C电量，电解1mmol水需要电量为96493mC电量。测得的水分质量根据下式计算：
式中 m测得的水分质量，μg；Q电解电量，mC；18水的分子量。
测得的水分质量还包含测试系统中的水分，因此样品中水分应该用测得总水分质量减去空瓶水分含量(blank value)，并考虑水分漂移值(drift value)的影响，样品水分含量计算如下：
式中 c样品水分含量，μg/g；m0空瓶水分质量，μg；Dv漂移值，μg/min；t萃取时间，min；m总——样品总质量，g。
卡尔·费休-库仑水分测试仪结构示意图如图19所示，主要包含卡尔·费休电解池和样品加热单元，极片样品放入密封样品瓶中，然后在一定温度下加热样品瓶，样品中的水分蒸发，然后利用干燥气体将水蒸气送入电解池中参与反应，再测定电解过程中的电量，从而滴定水分含量。
图19 卡尔费休-库仑水分测试仪结构示意图
干燥后电池样品利用卡尔·费休-库仑水分测试仪进行水分测试时，应该注意以下事项：a．取样之前样品瓶必须烘干，一般在120～160℃烘干3～6h，取出时必须马上盖上瓶盖密封保存，样品瓶的空白水分应该小于10μg，越小越好；b．取样环境必须在有露点的环境中进行，露点一般建议低于-40℃，并且把空样品瓶开盖放置1～2h，作为空白试验用；c．极片一般可以裁切成0.5cm的小片，或者是沿着样品瓶的高度裁成一条；d．进样量一般不低于0.5g；e．称量工具一般建议用万分之一电子天平；f．正式测试样品前，应该保证当前漂移低于20μg/min，并且稳定没有明显的上升或者下降趋势；g．当做完一个样品后，在卡氏加热炉上取下有样品的瓶子重新插入漂移瓶，让仪器重新稳定后再做下一个样品；h．卡氏加热炉温度建议在120～180℃，因为温度过高会导致电池中部分材料挥发或者发生副反应导致测试结果不准，不确定测试温度时可以利用卡尔·费休水分测试仪梯度升温法分析测试锂离子电池材料和正负极极片的水分。
真空干燥设备发展方向
7.1 干燥效率的不断提高
缩短干燥时间，提高干燥效率一直是干燥设备的目标。真空干燥效率的提高有利于降低产品成本，提高经济效益。目前干燥设备的自动化程度越来越高，也在不断提高干燥效率。今后需要研发新的加热方式进行加热效率的提高，开发与干燥设备相适应的物流线提高上下料效率，开发新的能耗低的干燥设备，进行电池干燥机理的研究改善干燥工艺，利用软件等对干燥过程进行监控，提高设备的运行效率等。
7.2 设备的模块化和标准化设计
电池干燥设备目前全部是非标准化设计，因为目前市场上每个厂商的电池规格都不同，导致干燥设备也各不相同。这就导致电池干燥设备柔性化较差，不利于升级换代。今后电池规格应有相应标准，干燥设备的设计也应该符合相应的标准，比如腔体尺寸，真空泵的选择，发热板的要求，真空计和阀门的安装位置等应符合标准。另外由于电池批量化生产的要求，干燥设备的尺寸越来越大，现场安装调试往往需要耗费大量人力、物力、时间。干燥设备设计时应考虑模块化设备，每个模块尽可能功能独立，节省现场安装调试时间。
7.3 生产执行系统(MES)应能指导生产
随着电池生产的自动化程度提高，干燥设备的软件系统也不断升级，目前干燥设备的软件能够显示能耗数据，能够记录产品信息以及工艺数据已经是干燥设备的基本要求。但是目前的MES只是进行数据的采集、存储以方便对干燥数据进行追溯。今后MES除了这些功能外，随着大量电池数据的获得，应该能利用大数据技术等对电池干燥工艺起到指导和改善的作用，帮助设备的维护和干燥效率的提高。
7.4 水分的在线检测
之前的介绍已经提到了电池干燥后的水分检测需要破坏电池，检测水分后才知道本批次电池是否合格。目前尚没有较好的实时的水分检测方法。今后应当研究新的电池检测方法，可以在干燥过程中实时检测电池水分，不必破坏电池也不必干燥后再进行检测，如果干燥过程中发现水分不合格则立即修改干燥工艺直至水分合格。开发新的水分检测方法需要对电池的水分蒸发机理以及相应的影响因素有深入研究的基础上，所以电池干燥过程的研究对于干燥设备的进步有重要意义。
7.5 高速节能智能化
采用空气能热泵作为热源，通过纳米流体作为热媒介质，将热源传导给电芯，从而实现水分挥发蒸发，达到电芯干燥的目的。能耗低，具有相当的经济性。温度均匀性好，节能效率高。适用产品范围：适用于铝壳、软包、圆柱电芯注液前干燥。相比传统接触式烤箱电能节约大约40%。
