De invloed van vocht in het productieproces van lithiumbatterijen

Tijdens het productieproces van lithium-ionbatterijen zijn er drie cruciale items die strikt moeten worden gecontroleerd: stof, metaaldeeltjes en vocht. Als stof- en metaaldeeltjes niet goed worden gecontroleerd, zal dit direct leiden tot veiligheidsongevallen zoals interne kortsluiting en brand in de batterij. Als vocht niet effectief wordt gecontroleerd, zal dit ook aanzienlijke schade aan de batterijprestaties veroorzaken en tot ernstige kwaliteitsongevallen leiden! Daarom is het van cruciaal belang om tijdens het productieproces het watergehalte van de belangrijkste materialen zoals elektroden, scheiders en elektrolyten strikt te controleren. Er mag geen sprake zijn van ontspanning en voortdurende waakzaamheid!
Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg vanuit drie aspecten: de schade van vocht aan lithiumbatterijen, de bron van vocht tijdens het productieproces en de beheersing van vocht tijdens het productieproces.

1. De schade van vocht aan lithiumbatterijen

(1) Opzwellen en lekken van de batterij: Als er sprake is van overmatig vocht in lithium-ionbatterijen, reageert deze chemisch met het lithiumzout in de elektrolyt, waardoor HF ontstaat:

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

Fluorwaterstofzuur (HF) is een zeer corrosief zuur dat aanzienlijke schade aan de batterijprestaties kan veroorzaken:

HF corrodeert de metalen componenten, de batterijbehuizing en de afdichtingen in de batterij, wat uiteindelijk kan leiden tot scheuren, breuken en lekkage.

HF vernietigt ook de SEI-film (Solid-Electrolyte-Interface) in de batterij door te reageren met de belangrijkste componenten:

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

Uiteindelijk slaat LiF neer in de batterij, waardoor onomkeerbare chemische reacties in de negatieve elektrode ontstaan ​​die actieve lithiumionen verbruiken, waardoor de energiecapaciteit van de batterij afneemt.

Wanneer er voldoende vocht is, wordt er meer gas gegenereerd, waardoor de interne druk van de batterij toeneemt. Dit kan leiden tot vervorming, zwelling en zelfs lekkage, wat een veiligheidsrisico met zich meebrengt.

Veel gevallen van het opzwellen van de batterij en het knappen van de batterij in mobiele telefoons of digitale elektronische producten op de markt worden vaak toegeschreven aan een hoog vochtgehalte en een hoge gasontwikkeling in de lithiumbatterij.

 

(2) Verhoogde interne weerstand van de batterij:

De interne weerstand van de batterij is een van de meest kritische prestatieparameters en dient als een primaire indicator voor het gemak waarmee ionen en elektronen zich binnen de batterij kunnen verplaatsen. Het heeft een directe invloed op de levensduur en de bedrijfsstatus van de batterij. Een lagere interne weerstand betekent dat er minder spanning wordt verbruikt tijdens het ontladen, wat resulteert in een hogere energieopbrengst.

Een toename van het vochtgehalte kan leiden tot de vorming van POF3- en LiF-neerslagen op het oppervlak van de SEI-film (Solid-Electrolyte-Interface). Dit verslechtert de dichtheid en uniformiteit van de SEI-film, waardoor de interne weerstand van de batterij geleidelijk toeneemt en de ontladingscapaciteit afneemt.

 

(3) Verkorte levensduur: Overmatig vocht kan de SEI-film beschadigen, wat leidt tot een geleidelijke toename van de interne weerstand en een afname van de ontladingscapaciteit. Na verloop van tijd wordt de bruikbare tijd van de batterij na elke volledige lading korter en neemt het aantal normale laad-ontlaadcycli (of levensduur) af. Dit resulteert uiteindelijk in een kortere totale levensduur van de batterij.

2. Bronnen van vocht bij de productie van lithiumbatterijen 

Tijdens het productieproces van lithiumbatterijen kunnen de bronnen van vocht worden onderverdeeld in de volgende aspecten: 

(1) Vocht geïntroduceerd via grondstoffen

A. Positieve en negatieve materialen: Zowel positieve als negatieve actieve materialen zijn deeltjes op micrometer- of nanometerschaal, die zeer gevoelig zijn voor het absorberen van vocht uit de lucht. Vooral voor ternaire of binaire kathodematerialen met een hoog nikkelgehalte is hun specifieke oppervlak relatief groot, waardoor hun oppervlakken gevoelig zijn voor het absorberen van vocht en het ondergaan van chemische reacties. Als de beklede elektrodeplaten worden opgeslagen in een omgeving met een hoge luchtvochtigheid, zal het coatingoppervlak van de elektrodeplaten ook snel vocht uit de lucht opnemen. 

B. Elektrolyt: De oplosmiddelcomponent in de elektrolyt reageert met watermoleculen, en de opgeloste lithiumzoutoplossing in de elektrolyt is ook gevoelig voor het absorberen van vocht en het ondergaan van chemische reacties. Daarom zit er een bepaalde hoeveelheid water in de elektrolyt. Als de elektrolyt te lang wordt bewaard of bij een hoge temperatuur wordt bewaard, zal het watergehalte in de elektrolyt toenemen. 

C. Separator: De separator is een poreuze plastic film (PP/PE-materiaal), die een aanzienlijk waterabsorptievermogen heeft. 

(2) Vocht toegevoegd tijdens de slurrybereiding voor elektrodeplaten

Tijdens de bereiding van de negatieve elektrodeslurry wordt water toegevoegd en gemengd met de grondstoffen vóór het coaten. Daarom bevat de negatieve elektrodeplaat zelf water. Hoewel er tijdens het daaropvolgende bekledingsproces verwarming en droging plaatsvindt, blijft er een aanzienlijke hoeveelheid water geadsorbeerd in de bekledingslaag van de elektrodeplaat. 

(3) Vocht in de werkplaatsomgeving

A. Vocht in de werkplaatslucht: Het vochtgehalte in de lucht wordt doorgaans gemeten aan de hand van de relatieve vochtigheid. De relatieve luchtvochtigheid varieert sterk, afhankelijk van het seizoen en de weersomstandigheden. In het voorjaar en de zomer is de luchtvochtigheid relatief hoog (boven de 60%), terwijl in het najaar en de winter de lucht droger is met een lagere luchtvochtigheid (onder de 40%). Op regenachtige dagen is de luchtvochtigheid hoger en op zonnige dagen lager. Daarom verschilt het watergehalte in de lucht op basis van de luchtvochtigheid: 

B. Door mensen gegenereerd water (zweet, uitgeademde adem, water na het wassen van de handen)

C. Aangevoerd vocht door diverse hulpmaterialen en papieren (kartons, vodden, rapporten) 

Controle van vocht tijdens de productie van lithiumbatterijen

(1) Strenge controle van de luchtvochtigheid in de productiewerkplaats

a De werkplaats voor de productie van elektroden voor het mengen van slurry moet een relatieve vochtigheid van ≦10% handhaven;

b De productiewerkplaats voor elektroden voor het coaten (machinekop, staart) en walsen moet een dauwpuntvochtigheid hebben van ≦-10℃ DP;

c De werkplaats voor de productie van elektroden voor het snijden moet een relatieve vochtigheid van ≦10% handhaven;

d De stapel-, wikkel- en assemblagewerkplaatsen moeten een dauwpuntvochtigheid hebben van ≦-35℃ DP;

e De elektrolytinjectie- en afdichtingsprocessen voor de batterijcellen moeten een dauwpuntvochtigheid hebben van ≦-45℃ DP.

(2) Strikt beheer van vocht dat door mensen en de buitenomgeving in de werkplaats wordt gebracht

a Naleving van operationele regelgeving:

-- Werknemers moeten hun kleding omkleden, hoeden dragen, schoenen verwisselen en maskers dragen bij het betreden van de droogwerkplaats;

-- Het is verboden de elektrodebladen en batterijcellen met blote handen aan te raken;

b Beheer van vocht dat wordt aangevoerd door hulpstoffen:

-- Het is ten strengste verboden om dozen mee te nemen naar de droogwerkplaats;

-- Papieren paaltjes en uithangborden in de droogruimte moeten gelamineerd zijn;

-- Het is verboden om in de droogruimte de vloer met water te dweilen.

 

(3) Strenge controle van de opslag- en belichtingstijd van elektrodevellen

a Beheer van opslag met lage vochtigheid:

-- Elektrodeplaten moeten na het walsen en snijden binnen 30 minuten worden opgeslagen in een omgeving met lage luchtvochtigheid (≦-35℃ DP);

-- Elektrodevellen die na het bakken niet onmiddellijk tot cellen kunnen worden verwerkt of kunnen worden opgewonden, moeten onder vacuüm worden bewaard (≦-95 kpa);

b Beheer van de belichtingstijd:

-- Na het bakken moeten de elektrodevellen binnen 72 uur worden verwerkt, opgewikkeld, verpakt, gevuld met elektrolyt en afgedicht (dauwpuntvochtigheid in de werkplaats ≦-35℃);

c First-in, first-out-beheer:

-- Bij het gebruik van elektrodevellen moet de 'first-in, first-out'-regel worden gevolgd, dwz dat de eerdere batches eerst worden gebruikt; degenen die het eerst worden gebakken, worden het eerst gebruikt.

 

(4) Strenge controle van het bakproces voor elektrodeplaten en scheiders

a Vóór gebruik moeten de elektrodeplaten en scheiders worden gebakken;

b Als elektrodeplaten en scheiders niet kunnen worden gebakken vóór de verwerking en wikkeling van de cellen, moeten de cellen worden gebakken vóór de injectie van elektrolyt;

c Tijdens het bakproces van elektrodeplaten of cellen moeten de ovenparameters (temperatuur, tijd, vacuüm) strikt worden gecontroleerd;

dDe oventemperatuur en het vacuüm moeten regelmatig worden gekalibreerd om nauwkeurigheid te garanderen.

 

(5) Testen en controleren van het watergehalte

A. Het watergehalte van elektrodeplaten, scheiders (of cellen) en elektrolyt moet worden getest en aan de normen voldoen voordat elektrolyt wordt geïnjecteerd;

B. Beproevingsmethode: Bemonstering volgens regelgeving; gebruik van een Karl Fischer-vochttester voor metingen;

C. Normen voor aanvaardbaar watergehalte:

-- Watergehalte van elektrodeplaten ≦200ppm (voorcontrole ≦150ppm)

-- Watergehalte van afscheiders ≦600ppm

-- Watergehalte van elektrolyt ≦20ppm

---

E-mail: tob.amy@tobmachine.com

Skype:amywangbest86

Whatsapp/Telefoonnummer:+86 181 2071 5609