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锂电池制程中的水分影响

汽车 2024-12-29 21:47 北京

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前言

锂离子电池制造过程中，有三个非常关键项目必须严格控制：一是粉尘；二是金属颗粒；三是水分。

粉尘和金属颗粒未控制好，直接会导致电池内部短路、起火燃烧的安全事故；而水分若未能有效控制，也同样会对电池性能造成较大危害、导致严重的质量事故！

所以对于制程中极片、隔膜、电解液等主材的水含量控制，非常关键，不可有丝毫放松，必须常抓不懈！

下面从水分对锂电池的危害、制程中水分的来源、制程中水分的控制三个方面来具体说明。

01

水分对锂电池的危害

1. 电池鼓胀、漏液

锂离子电池中水分含量如果过多，会与电解液当中的锂盐发生化学反应，生成HF：

H₂O + LiPF₆ → POF₃ + LiF + 2HF

氢氟酸（HF)是一种腐蚀性很强的酸，对电池性能的破坏性很强：

HF会腐蚀电池内部的金属零件、电池外壳、封口，进而使电池最终出现破口、漏液。

HF会破坏电池内部的SEI膜（固体电解质界面，英文为：Solid-Electrolyte-Interface），会与SEI膜主要成分发生反应：

ROCO₂Li + HF → ROCO₂H + LiF

Li₂CO₃ + 2HF → H₂CO₃ + 2LiF

最后，在电池内部产生LiF沉淀，使锂离子在电池负极片发生不可逆转的化学反应，消耗活性锂离子，电池的能量就减少了。

当水分足够多时，产生的气体多，电池内部的压力就会变大，从而引起电池受力变形，出现电池鼓涨、漏液等危险。

市场上手机或数码电子产品使用过程中遇到的电池鼓胀、撑开机盖的情形，多数都是因锂电池内部水分高、产气鼓胀造成。

2.电池内阻变大

电池内阻是电池的最为重要的性能参数之一，是衡量离子和电子在电池内部传输的难易程度的主要标志，直接影响到电池的循环寿命和运行状态；内阻越小，电池放电时所占用的电压越少，输出的能量越多。

当水含量增加，会在电池SEI膜（固体电解质界面，英文为：Solid-Electrolyte-Interface）表面产生POF3 和LiF沉淀，破坏SEI膜的致密性和均匀性，导致电池的内阻逐渐增加变大，电池的放电容量不断降低。

3. 循环寿命缩短

水含量过大，破坏了电池的SEI膜，内阻逐渐升高，电池的放电容量越来越小，每次充满电后电池的使用时间也越来越短，电池能够正常使用的充放次数（循环）也自然就会变少，电池的使用时间（寿命）也就会缩短。

02

锂电池生产过程中水分的来源

锂电池的生产工艺流程基本如下：

在锂电池的制造过程中，水分的来源可以分为以下几个方面：

1.原材料带入的水分

1.1正、负极材料：正、负极活性物质都是微米、纳米级别的颗粒，极易吸收空气中的水分；特别是含Ni（镍）量高的三元或二元正极材料，比表面积偏大，材料表面极易吸收水分并发生反应。涂布后的极片，若储存环境湿度较大，极片表面涂层也会快速吸收空气中的水分。

1.2电解液：电解液当中的溶剂成分会与水分子发生化学反应；电解液当中的溶质锂盐也容易吸收水分并发生化学反应；因此电解里面也会有一定量的水含量；若电解液存储时间过长、或存储环境温度过高，电解液内的水含量还会升高。

1.3隔膜：隔膜是一种多孔性的塑料薄膜（PP/PE材料)，其吸水性也是很大的。

2.极片制浆加入的水分

负极制浆时会加入水与原材料一起搅拌，然后进行涂布，所以负极片本身就含水。在后续的涂布过程中，虽然有加热烘干，但仍然有相当一部分水分吸附在极片的涂层内部。

3.车间环境水分

3.1 车间空气里含有的水分

空气中的水分，一般用相对湿度来衡量。不同季节，不同天气，相对湿度相差很大；春季、夏季空气湿度比较大（60%以上），秋季、冬季空气比较干燥湿度较小（40%以下）；下雨天空气湿度较大，晴天空气湿度较小。所以不同的空气湿度，空气中的水含量是不同的：

3.2 人体产生的水（人体出汗、呼出的口气、洗手后水分）

3.3各种辅材、纸张带入的水分（纸箱、碎布、报表）

03

锂电池生产过程中水分的控制

1. 严格控制生产车间环境湿度

1.1电极生产车间匀浆搅拌，相对湿度≦10%；

1.2电极生产车间涂布(机头、机尾）、辊压露点湿度≦-10℃DP；

1.3电极生产车间分切，相对湿度 ≦10%；

1.4叠片、卷绕、装配车间，露点湿度≦-35℃ DP

1.5.电芯注液、封口，露点湿度≦-45℃ DP。

2.严格管控人体、外界水分带入车间

2.1作业遵守度管理:

--入干燥车间须换装、戴帽、换鞋、戴口罩；

--禁止裸手触摸极片、电芯；

2.2 辅材水分带入管理：

--严禁将纸箱带入干燥车间；

--干燥间内纸质的张贴、标识牌须塑封；

--干燥间禁止用水拖地。

3.严格管控极片的存储、暴露时间

3.1低湿存储的管理：

--辊压、分切后的极片必须在30分钟内放入低湿环境下存储（≦-35℃ DP)

--烘烤后未能及时制片、卷绕的极片必须抽真空存储（≦-95kpa）

3.2暴露时间的管理：

--极片烘烤后，制片、卷绕、封装、注液、封口须在72h之内全部完成（车间露点湿度≦-35℃）

3.3先进先出管理：

--极片使用须遵循先进先出规定，即批次在前先使用；先烘烤先使用。

4.严格控制极片、隔膜的烘烤过程

4.1使用前，极片、隔膜须先烘烤才能使用；

4.2若制片卷绕前，极片、隔膜不能烘烤，注液前，须烘烤电芯；

4.3极片或电芯烘烤过程中，须严格监控烘箱参数（温度、时间、真空度）；

4.4烘箱温度、真空度须定期校验，确保准确。

5.水含量测试和控制

5.1极片、隔膜（或电芯）、电解液必须测试水含量，合格才能注液；

5.2测试方法：按照规定抽样；使用卡尔费休水分测试仪测量；

5.3水含量合格标准：

--极片水含量≦200ppm（预控≦150ppm）

--隔膜水含量≦600ppm

--电解液水含量≦20ppm

综上所述，在锂电池的制造过程中，对环境湿度、极片的储存和暴露时间、极片和隔膜的烘烤除水过程、电解液的有效期、水含量的测试等各环节的水分控制都是必不可少的，一旦失控，将会导致批量电池性能的致命缺陷，后果是非常严重的！

所以，无论是管理人员、生产作业人员、质量检验人员，要强化电池水分的管控意识，始终严格遵守制程中的各项规定，确保电池水分一直处于受控、合格状态！

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