【工作介绍】

电池制造中最耗时的步骤之一是电解液浸润。注入电解液后，通常需要等待数十小时才能使其渗入到电极的多孔结构中。这并非一个高效的过程。但想想洗碗时的情景：从来不会等水自己慢慢渗进海绵。只要轻轻一挤，海绵立刻就吸满了水。

受到这个直觉启发，美国德克萨斯大学奥斯汀分校刘宜晋团队尝试把类似的思路引入电池生产过程。通过施加轻微而可控的压力波动，发现电解液的浸润速度可以大幅加快。实验表明，即便是电池，在适度的“轻轻一挤”下，也能变得更容易浸润。这项研究成果现已发表于《电化学学会期刊》(Journal of The Electrochemical Society) ，推动了电池制造流程更高效、更快速的探索。

【内容表述】

电池制造的核心瓶颈：极其缓慢的电解液浸润过程

图1 锂离子电池制造流程。

图 1 展示了典型的锂离子电池制造流程。从浆料制备、涂布、辊压、分切，到组装、注液、化成，每一步都不可或缺。尽管化成阶段是公认的耗时环节，但真正拖慢整条生产线节奏的，往往是看似简单的“注液后的漫长浸润等待”。

当电解液被注入电芯后，它必须沿着电极的多孔网络逐层渗透，与活性材料充分接触。浸润过程受到毛细力、表面张力、黏度以及孔径分布等多重因素的共同影响，往往需要数十小时才能完成。浸润不足会导致电解液无法覆盖所有电极表面，使固态电解质界面膜（SEI）形成不均匀、内阻升高、循环寿命受损，并可能诱发局部过热等安全隐患。因此，如何显著加速电解液在电极内部的“浸润”进程，一直是限制锂电池制造效率的关键技术瓶颈之一。

提速的各种尝试：从升温到抽真空，效果依旧不够理想

图2 超声成像直接可视化电解液浸润过程。

为了缩短浸润时间，科研界和产业界已经尝试了多种手段。最常见的方法是升高温度，通过降低电解液黏度来提升渗透速度。实验显示，将环境温度从 25 °C 提高到 45 °C 的确能加快浸润，但提升幅度有限。即便在 45 °C 下，完成浸润仍需接近 30 小时。而温度继续升高，又会加速电解液分解，带来新的安全风险。

另一类方法是采用真空辅助浸润，通过降低气压让电解液更容易进入电极的微孔结构。虽然该策略在早期阶段能提升渗透效率，但真空设备成本高、流程复杂，难以在大规模制造中推广。除此之外，研究人员还探索了电场辅助（电毛细效应）、电极结构改性、电解液添加剂等方式改善润湿性，然而普遍存在操作要求高、成本偏高或工艺适配性有限等问题。

基于对这些方法的系统分析，团队意识到，要真正从根本上提升浸润效率，需要一种更简单、基于物理驱动、并且具备可扩展性的新思路。

生活启发工程：从挤海绵到轻按电池加速浸润

图3 按压策略加速电解液浸润。

在生活中都知道，海绵静置时吸水很慢，但轻轻挤压几下，水就能迅速渗透并均匀分布。团队正是从这一现象获得灵感：是否也能通过周期性机械按压，让电解液像水一样快速“挤”进多孔电极？基于这一思路，作者提出了“脉冲式按压”（pulsed pressing）策略。在浸润过程中持续进行“按—松”循环，利用周期性压力驱动电解液在多孔结构中流动与扩散。

这一方法的关键在于压力与频率。压力过大会损伤结构，太小又无法形成有效流动。经过大量实验，团队最终确定了约 10 kPa 的按压力度，以及 0.5 s按 / 0.5 s松的高频模式，实现了安全性与效率之间的最佳平衡。

为了直观验证效果，研究团队利用超声透射成像和电化学阻抗谱（EIS）对浸润实时监测。超声图像显示：在高频按压下，仅 30 min大部分区域已由“未润湿的蓝色”转为“已润湿的绿色”，60 min内即可实现完全浸润；而常温静置对照组即使等待 40 h仍未完全润湿。EIS 的结果同样一致：按压组的高频电阻（HFR）在 1 h内快速下降并稳定，而未按压组则需要近两天才能达到类似水平。

研究还发现，频率至关重要。采用低频模式（5 min按 / 5 min松）虽能一定程度提升效率，但仍无法实现快速浸润，进一步说明高频循环才是加速渗透的关键。

图4 超声成像揭示低频脉冲按压条件下的电解液浸润演化。

提速的同时更稳健：性能丝毫不受影响

加快浸润速度只是第一步，更关键的问题是：这样的“机械干预”会不会损害电池性能？为此，团队对经过按压浸润的 2 Ah LiFePO₄–石墨软包电池进行了标准化电化学评估。结果显示，其充放电曲线与传统工艺制备的电池完全一致，放电容量稳定在约 2 Ah。在 1 C 条件下循环 200 次后，容量几乎无衰减，循环稳定性优异。这些结果说明，按压加速浸润并不会破坏电芯内部结构，反而能够在提速的同时保持电化学性能。

图5 按压加速浸润同时保持优异电化学性能。

简单、可扩展、工业友好，让“按一按”成为真正的制造利器。与复杂的电极改性或昂贵的真空系统不同，脉冲按压法无需改变任何材料体系或电芯结构，只需在浸润阶段增加一个可编程的机械调压模块即可。对于软包电池而言，其天生具备一定柔性，更是这一策略的理想载体；而对于方形或圆柱电池，也可通过设计外部夹具或局部弹性封装等方式实现适配。

更重要的是，这种方法能够无缝融入现有产线，成本低、工艺简单，对制造流程几乎没有额外负担，因而具备极高的工业化潜力。未来若将该方法与自动化控制及实时超声监测结合，甚至有望构建“浸润—监测—调压”的闭环控制体系，推动电芯制造迈向真正意义上的智能化与高效化。

该团队此前还提出了一种结合光学成像、红外热成像和X射线成像的多模态表征方法，用于系统识别石墨负极涂布层中的缺陷。该方法可实现表面与内部缺陷的协同检测与分类，为电极的缺陷筛查、质量控制及工艺优化提供了有力支撑。

图6 石墨电极缺陷的多模态检测。（a）通过光学、红外和X射线技术对制造过程中的电极进行多模态表征，（b）表面光滑均匀的石墨电极的光学表征，（c）表面光滑均匀的石墨电极的红外表征，（d）表面光滑均匀的石墨电极的X射线表征，（e）表面有裂纹石墨电极的光学表征，（f）表面有裂纹石墨电极的红外表征，（g）表面有裂纹石墨电极的X射线表征，（h）不均匀石墨电极的光学表征，（i）不均匀石墨电极的红外表征，（j）不均匀石墨电极的X射线表征。石墨电极直径为12 mm。

参与本研究的有来自刘宜晋团队的Wenlong Li、来自Hadi Khani团队的Zishuo Zhao，以及来自O.A. (DK) Ezekoye团队的Ayrton Yanyachi，他们均来自德克萨斯大学奥斯汀分校沃克机械工程系。该研究的合作伙伴包括Rivian公司的Saravanan Kuppan博士，赛默飞世尔科技有限公司的Zhao Liu博士以及通用汽车公司的Jigang Zhou博士。德克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯材料研究所和电池制造与测试中心的核心设施对本研究至关重要。

【参考文献】

1.Li, W.; Zhao, Z.; Yanyachi, A.; Kuppan, S.; Liu, Z.; Zhou, J.; Ezekoye, O.; Khani, H.; Liu, Y., Sponge-Inspired Pressing Approach to Facilitate Electrolyte Wetting in Li-Ion Pouch Cells. J. Electrochem. Soc. 2025,172 (9), 090528. 

https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ae04a6

2.Li, W.; Yanyachi, A.; Sun, T.; Wu, D.; Banis, M. N.; Liu, Z.; Zhou, J.; Kuppan, S.; Ezekoye, O.; Liu, Y., Multimodal Characterization of Coating Defects in Graphite Electrodes for Lithium-Ion Batteries. J. Electrochem. Soc. 2025,172 (8), 080523.

https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/adf9cf

文章来源：锂电联盟会长

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