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鋰電池行業(yè)水分的關(guān)鍵性
閱讀：979 發(fā)布時(shí)間：2018-7-20在鋰離子電池的制造過程中,，有很多東西是必須嚴(yán)格控制的,，一是粉塵,，二是金屬顆粒，三是水分,。
水分對(duì)鋰離子電池影響巨大,，主要會(huì)造成以下不良后果：
1、 電解液變質(zhì),，使電池鉚釘生銹
我們公司電池的所用的電解液,，是不能在水分過高的環(huán)境下使用的。電池注液的時(shí)候,，必須要在小于1%濕度的環(huán)境下,，并且注液后趕快封口，阻止電池內(nèi)部和空氣接觸,。如果水分過高,，電解液和水分反應(yīng)，生成微量有害氣體,，對(duì)注液房環(huán)境有不良影響,；這也會(huì)影響電解液本身的質(zhì)量，使得電池性能不良,；還會(huì)使電池鉚釘生銹,。
2、 電池內(nèi)部壓力過大
水分會(huì)和電解液中的一種成分反應(yīng),，生成有害氣體,。當(dāng)水分足夠多時(shí)，電池內(nèi)部的壓力就變大,，從而引起電池受力變形,。如果是手機(jī)電池，就表現(xiàn)為鼓殼,；如果是我們的26650電池,，就表現(xiàn)為高度超標(biāo)。如果是我們的32xxx電池,，那防爆閥就會(huì)開裂,，電池也就報(bào)廢了。當(dāng)內(nèi)部壓力再高的時(shí)候,，電池就有危險(xiǎn)了,，爆裂使得電解液噴濺，電池碎片也容易傷人,。
3,、 高內(nèi)阻(High ACR)
電池在使用的時(shí)候,，內(nèi)阻小,，就能進(jìn)行大電流放電,，電池的功率也就很高；如果內(nèi)阻大,，就不能進(jìn)行大電流放電,，電池的功率也就比較低。就比如手機(jī)電池,，快沒電的時(shí)候,，可以收發(fā)短信，但不能打電hua,，一打電hua就關(guān)機(jī),。這是因?yàn)榇螂奾ua的時(shí)候,，需要的功率大于收發(fā)短信所需,。
4,、 高自放電(HSD)
自放電,，是指電池在不使用的情況下,，電量也會(huì)損耗。當(dāng)這個(gè)損耗在規(guī)定的情況下超過一定量之后,，這只電池就被認(rèn)為是高自放電，成為B品或報(bào)廢電池,。
HSD很嚴(yán)重的時(shí)候,，充滿電的電池，過不了多久,，電量就會(huì)損耗殆盡,，甚至使的電池的電壓變?yōu)?V。
而我們公司生產(chǎn)的鋰離子電池,，任何情況下電壓是不能低于2.0V的,，如果電壓低于2.0V，電池就會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng),，就失去了循環(huán)充放電的能力，電池也就報(bào)廢了,。
對(duì)于客戶（使用者）而言,，自放電所引起的結(jié)果就是，手機(jī)今天充電，明天就沒電,，電動(dòng)車今天騎來公司的時(shí)候,，還是滿電的，下班的時(shí)候,，就已經(jīng)沒有電了，汽車停在停車場(chǎng)半個(gè)月,，重新啟動(dòng)時(shí)沒有電了,。這些，都是自放電電池在客戶端的表現(xiàn),，它會(huì)讓電池失去使用功能,，而導(dǎo)致客戶非常不滿。
對(duì)于我們自己而言,，高自放電的電池多了,，我們的合格率就低了，如果有5%的電池高自放電,，當(dāng)我們產(chǎn)量達(dá)到40000只/天的時(shí)候,，就意味著每天有2000只電池需要報(bào)廢，意味著14萬塊錢要報(bào)廢,，一年將有168萬塊報(bào)廢,，如果用來買汽車，意味著報(bào)廢了10輛中檔轎車,，如果買房子,，在常州新北區(qū)應(yīng)該可以買兩三套了。
5,、 低容量
電池內(nèi)部水分過高,，損耗了電解液的有效成分，也損耗了鋰離子,，使得鋰離子在電池負(fù)極片發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng),。消耗了鋰離子，電池的能量就減少了,。
用26650電池給電鉆供電,，充滿電后本來可以使用1小時(shí)，因?yàn)殡姵貎?nèi)部有水分,，就只能使用50分鐘了,；用將來的汽車用32xxx電池來供電，充滿電后本來可以行駛 150公里,，結(jié)果只能行駛130公里,，如果偏偏前不著村后不挨店，沒法充電的話,，還得找個(gè)拖車來拖汽車,。
6,、 低循環(huán)壽命
我們公司的電池，是鋰離子電池家族中,，壽命長(zhǎng)的,，26650可以充放電循環(huán)3000次。如果水分超標(biāo),，情況就不會(huì)這么樂觀了,。
26650裝進(jìn)電動(dòng)工具，承諾給客戶說可以使用5年,，結(jié)果4年就充不進(jìn)電,、干不了活了，客戶會(huì)答應(yīng)嗎,，還會(huì)買我們的電池嗎,？
32xxx裝進(jìn)電動(dòng)汽車，承諾可以使用10年,，結(jié)果8年9年的時(shí)候,，開不了幾公里就沒電了。如果我們自己就是用戶,，我們會(huì)答應(yīng)嗎,？
7、 電池漏液
當(dāng)電池內(nèi)部的水分多的時(shí)候,，電池內(nèi)部的電解液和水反應(yīng),，其產(chǎn)物將是氣體和氫氟suan，氫氟suan是一中腐蝕性很強(qiáng)的酸,，它可以使電池內(nèi)部的金屬零件腐蝕,，進(jìn)而使電池終漏液。
如果電池漏液,，電池的性能將急速下降,，而且電解液還會(huì)對(duì)使用者的機(jī)器進(jìn)行腐蝕，終而引起更加危險(xiǎn)的失效,。
水分的來源
車間中的水分來源
的來源多種多樣,，一般來自于以下幾個(gè)方面：空氣中的水分、人體出汗產(chǎn)生的水分,、人體呼吸產(chǎn)生的水分,；雨天，衣服淋濕之后,，沒有*干燥就進(jìn)入車間,；洗手后，手沒有烘干就進(jìn)入車間。水分還來自紙箱等包裝物,，這些包裝物的含水量很高,，也是水分的來源之一，對(duì)于我們所使用的原材料,，輔料,，他們也是帶有不同含量的水分的，譬如紙巾,，譬如隔膜紙,，譬如極片，他們都是吸水性非常強(qiáng)的物質(zhì),，一旦水分被吸進(jìn)去，就要花能量去把它除掉,。
空氣中的水分,，一般用相對(duì)濕度來衡量。在不同溫度和天氣,，有很大的差別,，在夏天的雨天可以達(dá)到90%，冬天的雪天則30%左右,，在夏天的晴天50%左右,，冬天的晴天則20%左右。人呼吸的時(shí)候,，距離鼻孔2厘米,，濕度則達(dá)到85%。
空氣中水的重量,，可以參見下表：
21℃時(shí)濕度 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
電池中的水分來源
車間中的水分控制,，終還是要用于控制電池中的水分。對(duì)于電池中的水分,，它的來源就主要是來之于材料,，當(dāng)然也涉及環(huán)境。
正極片
我們的正極片使用的是納米材料,，這種納米材料具有很強(qiáng)的吸水性,，很容易周圍的空氣中吸收水分。
負(fù)極片
負(fù)極片比正極片來說,，吸水性相對(duì)低一點(diǎn),，當(dāng)然，在沒有控制濕度的環(huán)境下,，其從環(huán)境空氣中吸水?dāng)?shù)量也是相當(dāng)可觀的,。
隔膜紙
隔膜紙也是一種多孔性的塑料薄膜，其吸水性也是很大的。
電解液
電解液是一種非常怕水的物質(zhì),，它也非常容易吸水,，他會(huì)和水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直至所有的電解液物質(zhì)反映完成,，也就是說,，他喝水的能力是永無止境，直至自己死掉,。
其他金屬零件
雖然金屬零件本身對(duì)水分的吸收有限,，但是，金屬零件對(duì)水分卻很怕,，因?yàn)樗值拇嬖跁?huì)使其生銹或者腐蝕,。
材料中的水分含量是電池中水分的主要來源，當(dāng)然,，環(huán)境濕度越大,，電池材料越容易吸收水分。
在30%組裝車間
在這個(gè)車間,，是電池材來吸水的主要場(chǎng)所,，所有的重要原材料，正極片,，負(fù)極片,，隔膜紙，電池零件都暴露在這個(gè)車間一段時(shí)間,，所以,，他是電池材料吸水的主要場(chǎng)所，而且,，停留時(shí)間越長(zhǎng),，吸的水分就越多，因此,，在這個(gè)車間,，我們應(yīng)該保證產(chǎn)品呆在這個(gè)車間的時(shí)間越短越好。
在30%激光焊車間
激光焊車間也是30%的濕度,，因?yàn)殡姵卦谶@個(gè)階段還沒有封口,，所以也需要控制電池在這個(gè)車間等待的時(shí)間，保證電池的水分含量足夠小,。
在車間走廊(約30～90%,，隨天氣而變)
車間走廊是沒有控制濕度的，如果電池等待在這個(gè)區(qū)域,，那么它的吸水性將是大的,，所以,，要100%避免未封口的電池和材料暴露在這個(gè)區(qū)域。下圖是一卷點(diǎn)焊了極耳的正極片,，*干燥后,，在(50～70)%的環(huán)境下的吸水圖：
由圖可見，經(jīng)過一天,，吸水量達(dá)到極片本身的0.3%,，經(jīng)過兩天，水分達(dá)到0.5%,，經(jīng)過五天,，水分達(dá)到0.7%；換算成32113電池的話,，則1只電池1天吸20滴水,。因此電池轉(zhuǎn)移經(jīng)過車間走廊時(shí)，一定要迅速穩(wěn)健,。
在30%烘烤房
這個(gè)車間,，是非常重要的，之所以說重要是,，因?yàn)殡姵匚盏降乃兴郑急仨毻ㄟ^這個(gè)工序烘烤出來,。如果烘烤不出來,，那么，前面所有提到的問題都會(huì)在我們的產(chǎn)品表現(xiàn)出來,。烘烤后的電池必須在短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)注液房,，否則，電池將會(huì)吸水很嚴(yán)重,。下面是烘干后的電池在烘烤房陳放時(shí)的吸水曲線：
這個(gè)圖說明,，烘烤后的電池，在30%的房間,，僅僅由一個(gè)小小的注液孔透氣,，就會(huì)在15分鐘吸水達(dá)到電池本身重量的0.003%，也就是0.006g,，幾乎是五分之一滴水,。然后需要在過渡烘箱加烘至少4小時(shí)，才能再次烘干這15分鐘的吸水量,。
在1%注液房
這個(gè)房間,，是濕度應(yīng)該嚴(yán)格控制的房間，濕度應(yīng)該控制在1%以下,，溫度控制在23C以下,。如果達(dá)不到這個(gè)要求,，前面所有的控制都會(huì)失敗，電池會(huì)重新吸收水分,，電解液在注液過程中也會(huì)吸收水分,。如果這里控制不好，前功盡棄,。下圖是烘干的32113電池,，放在注液房的吸水曲線圖。僅僅由一個(gè)小小的注液孔透氣,，就會(huì)在16個(gè)小時(shí)后,，吸水達(dá)到電池本身重量的0.01%，也就是0.02g,，幾乎是1滴水的一半,。
因此電池轉(zhuǎn)進(jìn)注液房以后，我們要用膠帶暫時(shí)封住注液孔,，當(dāng)注液的時(shí)候才能拿開,，一次注液后陳化時(shí)，又要用膠帶封住注液孔,。
等待注液的電池,，還要存在真空箱內(nèi)，抽真空以阻止空氣中的水分,。
在這個(gè)1%的注液房,，需要一個(gè)功率很大的除濕機(jī)來輸送干空氣。假如帶1滴水(1滴水約為0.05g)進(jìn)入注液房,，就需要耗費(fèi)5度電才能除掉這1滴水,。
在能源緊缺的今天，這是一個(gè)巨大的浪費(fèi),。雖然電費(fèi)由公司來出,，但發(fā)電站在我們國(guó)家，用煤發(fā)電又會(huì)向空氣中排放很多污染,，損害的依舊是我們自己,。
所以在雨天，淋濕的衣服一定要干燥后才能進(jìn)入車間,；
洗手后一定用干手機(jī)烘干手上的水珠,；
進(jìn)入26650裝配車間時(shí)，一定要經(jīng)過風(fēng)淋系統(tǒng),。
這一點(diǎn)一滴,，保護(hù)的不僅僅是公司的利益，更是我們家園的環(huán)境,。
固體電解質(zhì)界面(Solid-ElectrolyteInterface,，簡(jiǎn)稱SEI)膜是一層選擇性透過膜,，能使Li+自由透過，而電解液分子不能透過,。電解液的組成和痕量的添加劑對(duì)SEI膜形成的電位,、致密程度、電池不可逆容量損失,、電池內(nèi)阻等有顯著的影響,。水作為電解液中一種痕量組分，對(duì)鋰離子電池SEI膜的形成和電池性能有一定的影響,。主要表現(xiàn)為電池容量變小,，放電時(shí)間變短，內(nèi)阻增大,，循環(huán)容量衰減,，電池膨脹等現(xiàn)象，因此,，在鋰離子電池的制作過程中,，必須嚴(yán)格控制環(huán)境的濕度和正負(fù)極材料、電解液的含水量,。
水分對(duì)放電容量的影響：
電池放電容量隨電池中水分的增加而減小,。在鋰源恒定的條件下，電池放電容量的變化主要由2個(gè)主要因素制約,。
1,、SEI膜的形成消耗部分Li十，造成不可逆容量損失,，單電子還原過程生成的烷基碳酸鋰還可以與電解液中的痕量水發(fā)生反應(yīng)，2ROC02Li+H2O→LieC03+C02+2ROH,，當(dāng)生成C02后,，在低電位下的負(fù)極表面，有新的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生2C02+2Li++2e→LieC03+CO,。
2,、SEI膜形成以后，在仍然有H2O存在的條件下,，H2O會(huì)促使電解液中LiPF6的分解,，使電池放電時(shí)間縮短，LiPF6→LiF+PFs,，PFs+H2O→POF3+2HF,。
水分對(duì)鋰電池內(nèi)阻的影響：
隨著電池水分的增加，內(nèi)阻呈上升的趨勢(shì),。產(chǎn)生電池內(nèi)阻差異的主要因素有如下2個(gè)方面,。
1,、SEI膜的差異導(dǎo)致電池內(nèi)阻的差異。在電解液溶劑體系中,，痕量的水能夠形成以Li2CO3為主,、穩(wěn)定性好、均勻致密的SEI膜,，其內(nèi)阻較小,。
2、水分含量多于體系形成SEI膜的所需含量時(shí),，在SEI膜表面生成POF3和LiF沉淀,，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加。
水分對(duì)電池循環(huán)容量衰減的影響：
電池容量衰減隨水分含量增加而逐漸減小,。這與SEI膜的致密程度和均勻性有關(guān),。當(dāng)SEI膜均勻致密時(shí)，電解液溶劑不易嵌人到負(fù)極中,，占據(jù)Li十嵌人空位,，因此容量衰減很少。與此相反,，當(dāng)SEI膜的局部不致密,、不均勻時(shí)，Li十嵌人空位被電解液溶劑占據(jù)相對(duì)較容易,。LieC03是形成均勻致密SEI膜主要的組分,，電解液溶劑體系中，當(dāng)水分含量過量時(shí),，會(huì)導(dǎo)致SEI膜的局部不致密,、不均勻，因此容量衰減增加,。
電池會(huì)膨脹主要是因?yàn)镾EI膜生成后水的存在使LiPF6分解生成HF氣體,。
目前的除水措施
消除環(huán)境水分：我們建立干燥車間。用干燥機(jī)生成干燥空氣,，不斷的輸進(jìn)干燥車間,，置換車間內(nèi)的濕空氣。
消除電池內(nèi)部的水分：用真空烘烤來除水,；烘烤結(jié)束后,，首先要測(cè)試電池是否烘烤合格，這個(gè)測(cè)試儀器花了15萬塊錢,。把電池在水分低的注液房 （濕度＜1%）用短的時(shí)間內(nèi)完注液,，陳化，封口,，阻止電池和空氣中的水分接觸,；在沒封口之前,，還要用膠帶封進(jìn)注液孔。
人體水分的控制：這項(xiàng)措施,，我們每天都在進(jìn)行著,，戴口罩，穿防靜電服,。這種保護(hù)是雙向的,，保護(hù)了電池，也保護(hù)了我們不被灰塵侵?jǐn)_,。
在洗手間,，我們都配備了自動(dòng)干手機(jī)，洗完手之后,，吹干再回車間,。
用濕布擦拭設(shè)備及清洗工作環(huán)境，這種方式,，我們平常在普遍使用,，當(dāng)然，對(duì)于我們工廠而言,，這種方式就不允許了,，因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)品怕水。所以,，用濕布來除塵,，當(dāng)然就有可能把整個(gè)干燥間的濕度水平降低下來了，因而引起產(chǎn)品的不良,。雖然DMC和酒精等同樣可以用于清洗,，但是DMC易于腐蝕塑料表面，而酒精也是我們產(chǎn)品所不能接觸的東西,，因此,，在30%干燥間，DMC可以用于擦拭金屬的零件,，卻不能用于擦拭塑料的零件，塑料零件可以用防靜電液進(jìn)行擦拭,。但是,，在1%的注液間中，就只能用純DMC了,。