锂离子电池水分控制的重要性

在锂离子电池的制造过程中,有很多东西是必须严格控制的,一是粉尘,二是金属颗粒,三是水分。 水分对锂离子电池影响巨大,主要会造成以下不良后果: 1、电解液变质,使电池铆钉生锈 电池注液的时候,必须要在小于1%湿度的环境下,并且注液后赶快封口,阻止电池内部和空气接触。如果水分过高,电解液和水分反应,生成微量有害气体,对注液房环境有不良影响;这也会影响电解液本身的质量,使得电池性能不良;还会使电池铆钉生锈。 2、电池内部压力过大 水分会和电解液中的一种成分反应,生成有害气体。当水分足够多时,电池内部的压力就变大,从而引起电池受力变形。如果是手机电池,就现为鼓壳;如果是26650电池,就表现为高度超标。如果是32xxx电池,那防爆阀就会开裂,电池也就报废了。当内部压力再高的时候,电池就有危险了,爆裂使得电解液喷溅,电池碎片也容易伤人。 3、高内阻(High ACR) 电池在使用的时候,内阻小,就能进行大电流放电,电池的功率也就很高;如果内阻大,就不能进行大电流放电,电池的功率也就比较低。就比如手机电池,快没电的时候,可以收发短信,但不能打电话,一打电话就关机。这是因为打电话的时候,需要的功率大于收发短信所需。 4、高自放电(HSD) 自放电,是指电池在不使用的情况下,电量也会损耗。当这个损耗在规定的情况下超过一定量之后,这只电池就被认为是高自放电,成为B品或报废电池。 HSD很严重的时候,充满电的电池,过不了多久,电量就会损耗殆尽,甚至使的电池的电压变为0V。任何情况下锂离子电池电压是不能低于2.0V的,如果电压低于2.0V,电池就会出现不可逆转的化学反应,就失去了循环充放电的能力,电池也就报废了。 对于客户(使用者)而言,自放电所引起的结果就是,手机今天充电,明天就没电,电动车今天骑来公司的时候,还是满电的,下班的时候,就已经没有电了,汽车停在停车场半个月,重新启动时没有电了。这些,都是自放电电池在客户端的表现,它会让电池失去使用功能,而导致客户非常不满。 如果有5%的电池高自放电,当产量达到40000只/天的时候,就意味着每天有2000只电池需要报废,意味着14万块钱要报废,一年将有168万块报废。 5、低容量 电池内部水分过高,损耗了电解液的有效成分,也损耗了锂离子,使得锂离子在电池负极片发生不可逆转的化学反应。消耗了锂离子,电池的能量就减少了。 6、低循环寿命 7、电池漏液 当电池内部的水分多的时候,电池内部的电解液和水反应,其产物将是气体和氢氟酸,氢氟酸是一中腐蚀性很强的酸,它可以使电池内部的金属零件腐蚀,进而使电池最终漏液。 如果电池漏液,电池的性能将急速下降,而且电解液还会对使用者的机器进行腐蚀,终而引起更加危险的失效。 水分的来源 车间中的水分来源 的来源多种多样,一般来自于以下几个方面:空气中的水分、人体出汗产生的水分、人体呼吸产生的水分;雨天,衣服淋湿之后,没有完全干燥就进入车间;洗手后,手没有烘干就进 入车间。水分还来自纸箱等包装物,这些包装物的含水量很高,也是水分的来源之一,对于我们所使用的原材料,辅料,他们也是带有不同含量的水分的,譬如纸巾,譬如隔膜纸,譬如极片,他们都是吸水性非常强的物质,一旦水分被吸进去,就要花能量去把它除掉。 空气中的水分,一般用相对湿度来衡量。在不同温度和天气,有很大的差别,在夏天的雨天可以达到90%,冬天的雪天则30%左右,在夏天的晴天50%左右,冬天的晴天则20%左右。人呼吸的时候,距离鼻孔2厘米,湿度则达到85%。 空气中水的重量,可以参见下表: 21℃时湿度水分含量/ppm 水的重量g/m3 1% 245 0.3 2% 512 0.6 10% 2461 3.1 15% 3697 4.6 20% 4935 6.2 25% 6176 7.7 30% 7421 9.3 49% 12120 15.2 82% 20370 25.5 电池中的水分来源 车间中的水分控制,最终还是要用于控制电池中的水分。对于电池中的水分,它的来源就主要是来之于材料,当然也涉及环境。 正极片 我们的正极片使用的是纳米材料,这种纳米材料具有很强的吸水性,很容易周围的空气中吸收水分。 负极片 负极片比正极片来说,吸水性相对低一点,当然,在没有控制湿度的环境下,其从环境空气中吸水数量也是相当可观的。 隔膜纸 隔膜纸也是一种多孔性的塑料薄膜,其吸水性也是很大的。 电解液 电解液是一种非常怕水的物质,它也非常容易吸水,他会和水进行化学反应,直至所有的电解液物质反映完成,也就是说,他喝水的能力是永无止境,直至自己死掉。 其他金属零件 虽然金属零件本身对水分的吸收有限,但是,金属零件对水分却很怕,因为水分的存在会使其生锈或者腐蚀。 材料中的水分含量是电池中水分的主要来源,当然,环境湿度越大,电池材料越容易吸收水分。 在30%组装车间 在这个车间,是电池材来吸水的主要场所,所有的重要原材料,正极片,负极片,隔膜纸,电池零件都暴露在这个车间一段时间,所以,他是电池材料吸水的主要场所,而且,停留时间越长,吸的水分就越多,因此,在这个车间,我们应该保证产品呆在这个车间的时间越短越好。 在30%激光焊车间 激光焊车间也是30%的湿度,因为电池在这个阶段还没有封口,所以也需要控制电池在这个车间等待的时间,保证电池的水分含量足够小。 在车间走廊(约30~90%,随天气而变) 车间走廊是没有控制湿度的,如果电池等待在这个区域,那么它的吸水性将是最大的,所以,要100%避免未封口的电池和材料暴露在这个区域。下图是一卷点焊了极耳的正极片,完全干燥后,在(50~70)%的环境下的吸水图: 由图可见,经过一天,吸水量达到极片本身的0.3%,经过两天,水分达到0.5%,经过五天,水分达到0.7%;换算成32113电池的话,则1只电池1天吸20滴水。因此电池转移经过车间走廊时,一定要迅速稳健。 在30%烘烤房 这个车间,是非常重要的,之所以说重要是,因为电池吸收到的所有水分,都必须通过这个工序烘烤出来。如果烘烤不出来,那么,前面所有提到的问题都会在我们的产品表现出来。烘烤后的电池必须在最短的时间内转进注液房,否则,电池将会吸水很严重。下面是烘干后的电池在烘烤房陈放时的吸水曲线: 这个图说明,烘烤后的电池,在30%的房间,仅仅由一个小小的注液孔透气,就会在15分钟吸水达到电池本身重量的0.003%,也就是0.006g,几乎是五分之一滴水。然后需要在过渡烘箱加烘至少4小时,才能再次烘干这15分钟的吸水量。 在1%注液房 这个房间,是湿度应该最严格控制的房间,湿度应该控制在1%以下,温度控制在23(C以下。如果达不到这个要求,前面所有的控制都会失败,电池会重新吸收水分,电解液在注液过程中也会吸收水分。如果这里控制不好,前功尽弃。下图是烘干的32113电池,放在注液房的吸水曲线图。仅仅由一个小小的注液孔透气,就会在16个小时后,吸水达到电池本身重量的0.01%,也就是0.02g,几乎是1滴水的一半。 因此电池转进注液房以后,我们要用胶带暂时封住注液孔,当注液的时候才能拿开,一次注液后陈化时,又要用胶带封住注液孔。 等待注液的电池,还要存在真空箱内,抽真空以阻止空气中的水分。 在这个1%的注液房,需要一个功率很大的除湿机来输送干空气。假如带1滴水(1滴水约为0.05g)进入注液房,就需要耗费5度电才能除掉这1滴水。 在能源紧缺的今天,这是一个巨大的浪费。虽然电费由公司来出,但发电站在我们国家,用煤发电又会向空气中排放很多污染,损害的依旧是我们自己。 所以在雨天,淋湿的衣服一定要干燥后才能进入车间; 洗手后一定用干手机烘干手上的水珠; 进入26650装配车间时,一定要经过风淋系统。 这一点一滴,保护的不仅仅是公司的利益,更是我们家园的环境。 目前的除水措施 消除环境水分:我们建立干燥车间。用干燥机生成干燥空气,不断的输进干燥车间,置换车间内的湿空气。 消除电池内部的水分:用真空烘烤来除水;烘烤结束后,首先要测试电池是否烘烤合格,这个测试仪器花了15万块钱。把电池在水分最低的注液房(湿度<1%)用最短的时间内完注液,陈化,封口,阻止电池和空气中的水分接触;在没封口之前,还要用胶带封进注液孔。人体水分的控制:这项措施,我们每天都在进行着,戴口罩,穿防静电服。这种保护是双向的,保护了电池,也保护了我们不被灰尘侵扰。 在洗手间,我们都配备了自动干手机,洗完手之后,吹干再回车间。 用湿布擦拭设备及清洗工作环境,这种方式,我们平常在普遍使用,当然,对于我们工厂而言,这种方式就不允许了,因为我们的产品怕水。所以,用湿布来除尘,当然就有可能把整个干燥间的湿度水平降低下来了,因而引起产品的不良。虽然DMC和酒精等同样可以用于清洗,但是DMC易于腐蚀塑料表面,而酒精也是我们产品所不能接触的东西,因此,在30%干燥间,DMC可以用于擦拭金属的零件,却不能用于擦拭塑料的零件,塑料零件可以用防静电液进行擦拭。但是,在1%的注液间中,就只能用纯DMC了。