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
02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。
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
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。
03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
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b8～12次；d．将烘箱抽真空至100～200Pa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d5～6次；f．将烘箱抽真空至100～200Pa停止加热，冷却。
许飞等公开了一种锂离子电池电芯的烘烤方法，包括以下步骤：a．将电芯预热后在真空状态下采用接触式加热方式对电芯烘烤3～6h，停止加热，接触式加热同时对电芯的表面及电极接线柱加热；b．向烘烤装置内充入0～5℃氮气至常压，保持60～240s，再在真空状态下保压30～240s；c．重复步骤b至电芯冷却至50℃以下，充入氮气，取出电芯。
冯臣相等公开了一种锂离子电池干燥方法，包括以下步骤：将正极片和负极片进行加热，使正极片和负极片达到第一标准；将满足第一标准的正极片和负极片进行真空干燥，使正极片和负极片达到第二标准；取满足第二标准的正极片和负极片进行电芯组装；电芯注液。
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。
王行龙公开了一种用于锂电池正极片的低能耗高效率真空烘烤工艺，包括如下步骤：腔体抽真空至1.8～2.2Torr(1Torr=133.32Pa)；向真空烘烤腔体中充氮气，升温至128～136℃；腔体抽真空至为1.8～2.2Torr，将锂电池正极片真空烘烤45～50h，真空烘烤过程中每隔1.5～2.5h抽出真空烘烤腔体的水分；将真空烘烤腔体降温，破除真空即得。
04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，Pam3/s。
Q=1.3(Q1+Q2+Q3)
式中Q1——真空工艺过程中产生的气体量，Pam3/s；Q2真空腔体的放气量，Pam3/s；Q3真空腔体的总漏气量，Pam3/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。
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。
05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
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。
5.4卷对卷真空干燥设备
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。
06锂电池真空干燥设备性能评估
6.1真空性能评估
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。
6.2温度性能评估
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+3C5H5N[插图]2C5H5N·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(blankvalue)，并考虑水分漂移值(driftvalue)的影响，样品水分含量计算如下：
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
07真空干燥设备发展方向
7.1干燥效率的不断提高
7.2设备的模块化和标准化设计
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。