【工作介紹】
電池制造中最耗時的步驟之一是電解液浸潤。注入電解液后，通常需要等待數十小時才能使其滲入到電極的多孔結構中。這并非一個高效的過程。但想想洗碗時的情景：從來不會等水自己慢慢滲進海綿。只要輕輕一擠，海綿立刻就吸滿了水。
受到這個直覺啟發，美國德克薩斯大學奧斯汀分校劉宜晉團隊嘗試把類似的思路引入電池生產過程。通過施加輕微而可控的壓力波動，發現電解液的浸潤速度可以大幅加快。實驗表明，即便是電池，在適度的“輕輕一擠”下，也能變得更容易浸潤。這項研究成果現已發表于《電化學學會期刊》(Journal of The Electrochemical Society) ，推動了電池制造流程更高效、更快速的探索。
【內容表述】
電池制造的核心瓶頸：極其緩慢的電解液浸潤過程
圖1 鋰離子電池制造流程。
圖 1 展示了典型的鋰離子電池制造流程。從漿料制備、涂布、輥壓、分切，到組裝、注液、化成，每一步都不可或缺。盡管化成階段是公認的耗時環節，但真正拖慢整條生產線節奏的，往往是看似簡單的“注液后的漫長浸潤等待”。
當電解液被注入電芯后，它必須沿著電極的多孔網絡逐層滲透，與活性材料充分接觸。浸潤過程受到毛細力、表面張力、黏度以及孔徑分布等多重因素的共同影響，往往需要數十小時才能完成。浸潤不足會導致電解液無法覆蓋所有電極表面，使固態電解質界面膜（SEI）形成不均勻、內阻升高、循環壽命受損，并可能誘發局部過熱等安全隱患。因此，如何顯著加速電解液在電極內部的“浸潤”進程，一直是限制鋰電池制造效率的關鍵技術瓶頸之一。
提速的各種嘗試：從升溫到抽真空，效果依舊不夠理想
圖2 超聲成像直接可視化電解液浸潤過程。
為了縮短浸潤時間，科研界和產業界已經嘗試了多種手段。最常見的方法是升高溫度，通過降低電解液黏度來提升滲透速度。實驗顯示，將環境溫度從 25 °C 提高到 45 °C 的確能加快浸潤，但提升幅度有限。即便在 45 °C 下，完成浸潤仍需接近 30 小時。而溫度繼續升高，又會加速電解液分解，帶來新的安全風險。
另一類方法是采用真空輔助浸潤，通過降低氣壓讓電解液更容易進入電極的微孔結構。雖然該策略在早期階段能提升滲透效率，但真空設備成本高、流程復雜，難以在大規模制造中推廣。除此之外，研究人員還探索了電場輔助（電毛細效應）、電極結構改性、電解液添加劑等方式改善潤濕性，然而普遍存在操作要求高、成本偏高或工藝適配性有限等問題。
基于對這些方法的系統分析，團隊意識到，要真正從根本上提升浸潤效率，需要一種更簡單、基于物理驅動、并且具備可擴展性的新思路。
生活啟發工程：從擠海綿到輕按電池加速浸潤
圖3 按壓策略加速電解液浸潤。
在生活中都知道，海綿靜置時吸水很慢，但輕輕擠壓幾下，水就能迅速滲透并均勻分布。團隊正是從這一現象獲得靈感：是否也能通過周期性機械按壓，讓電解液像水一樣快速“擠”進多孔電極？基于這一思路，作者提出了“脈沖式按壓”（pulsed pressing）策略。在浸潤過程中持續進行“按—松”循環，利用周期性壓力驅動電解液在多孔結構中流動與擴散。
這一方法的關鍵在于壓力與頻率。壓力過大會損傷結構，太小又無法形成有效流動。經過大量實驗，團隊最終確定了約 10 kPa 的按壓力度，以及 0.5 s按 / 0.5 s松的高頻模式，實現了安全性與效率之間的最佳平衡。
為了直觀驗證效果，研究團隊利用超聲透射成像和電化學阻抗譜（EIS）對浸潤實時監測。超聲圖像顯示：在高頻按壓下，僅 30 min大部分區域已由“未潤濕的藍色”轉為“已潤濕的綠色”，60 min內即可實現完全浸潤；而常溫靜置對照組即使等待 40 h仍未完全潤濕。EIS 的結果同樣一致：按壓組的高頻電阻（HFR）在 1 h內快速下降并穩定，而未按壓組則需要近兩天才能達到類似水平。
研究還發現，頻率至關重要。采用低頻模式（5 min按 / 5 min松）雖能一定程度提升效率，但仍無法實現快速浸潤，進一步說明高頻循環才是加速滲透的關鍵。
圖4 超聲成像揭示低頻脈沖按壓條件下的電解液浸潤演化。
提速的同時更穩健：性能絲毫不受影響
加快浸潤速度只是第一步，更關鍵的問題是：這樣的“機械干預”會不會損害電池性能？為此，團隊對經過按壓浸潤的 2 Ah LiFePO4–石墨軟包電池進行了標準化電化學評估。結果顯示，其充放電曲線與傳統工藝制備的電池完全一致，放電容量穩定在約 2 Ah。在 1 C 條件下循環 200 次后，容量幾乎無衰減，循環穩定性優異。這些結果說明，按壓加速浸潤并不會破壞電芯內部結構，反而能夠在提速的同時保持電化學性能。
圖5 按壓加速浸潤同時保持優異電化學性能。
簡單、可擴展、工業友好，讓“按一按”成為真正的制造利器。與復雜的電極改性或昂貴的真空系統不同，脈沖按壓法無需改變任何材料體系或電芯結構，只需在浸潤階段增加一個可編程的機械調壓模塊即可。對于軟包電池而言，其天生具備一定柔性，更是這一策略的理想載體；而對于方形或圓柱電池，也可通過設計外部夾具或局部彈性封裝等方式實現適配。
更重要的是，這種方法能夠無縫融入現有產線，成本低、工藝簡單，對制造流程幾乎沒有額外負擔，因而具備極高的工業化潛力。未來若將該方法與自動化控制及實時超聲監測結合，甚至有望構建“浸潤—監測—調壓”的閉環控制體系，推動電芯制造邁向真正意義上的智能化與高效化。
該團隊此前還提出了一種結合光學成像、紅外熱成像和X射線成像的多模態表征方法，用于系統識別石墨負極涂布層中的缺陷。該方法可實現表面與內部缺陷的協同檢測與分類，為電極的缺陷篩查、質量控制及工藝優化提供了有力支撐。
圖6 石墨電極缺陷的多模態檢測。（a）通過光學、紅外和X射線技術對制造過程中的電極進行多模態表征，（b）表面光滑均勻的石墨電極的光學表征，（c）表面光滑均勻的石墨電極的紅外表征，（d）表面光滑均勻的石墨電極的X射線表征，（e）表面有裂紋石墨電極的光學表征，（f）表面有裂紋石墨電極的紅外表征，（g）表面有裂紋石墨電極的X射線表征，（h）不均勻石墨電極的光學表征，（i）不均勻石墨電極的紅外表征，（j）不均勻石墨電極的X射線表征。石墨電極直徑為12 mm。
參與本研究的有來自劉宜晉團隊的Wenlong Li、來自Hadi Khani團隊的Zishuo Zhao，以及來自O.A. (DK) Ezekoye團隊的Ayrton Yanyachi，他們均來自德克薩斯大學奧斯汀分校沃克機械工程系。該研究的合作伙伴包括Rivian公司的Saravanan Kuppan博士，賽默飛世爾科技有限公司的Zhao Liu博士以及通用汽車公司的Jigang Zhou博士。德克薩斯大學奧斯汀分校德克薩斯材料研究所和電池制造與測試中心的核心設施對本研究至關重要。
【參考文獻】
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
