Der Einfluss von Feuchtigkeit im Herstellungsprozess von Lithiumbatterien

Während des Herstellungsprozesses von Lithium-Ionen-Batterien gibt es drei entscheidende Punkte, die streng kontrolliert werden müssen: Staub, Metallpartikel und Feuchtigkeit. Wenn Staub und Metallpartikel nicht ordnungsgemäß kontrolliert werden, führt dies direkt zu Sicherheitsunfällen wie internen Kurzschlüssen und Bränden in der Batterie. Wenn die Feuchtigkeit nicht wirksam kontrolliert wird, wird auch die Batterieleistung erheblich beeinträchtigt und es kann zu schweren Qualitätsmängeln kommen! Daher ist es wichtig, den Wassergehalt der Hauptmaterialien wie Elektroden, Separatoren und Elektrolyte während des Herstellungsprozesses streng zu kontrollieren. Es darf keine Entspannung und ständige Wachsamkeit geben!
Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung unter drei Aspekten: der Schädigung von Lithiumbatterien durch Feuchtigkeit, der Feuchtigkeitsquelle während des Herstellungsprozesses und der Kontrolle der Feuchtigkeit während des Herstellungsprozesses.

1. Der Schaden von Feuchtigkeit für Lithiumbatterien

(1) Aufquellen und Auslaufen der Batterie: Bei übermäßiger Feuchtigkeit in Lithium-Ionen-Batterien reagiert diese chemisch mit dem Lithiumsalz im Elektrolyten und erzeugt HF:

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

Flusssäure (HF) ist eine stark ätzende Säure, die die Batterieleistung erheblich schädigen kann:

HF korrodiert die Metallkomponenten, das Batteriegehäuse und die Dichtung innerhalb der Batterie, was schließlich zu Rissen, Brüchen und Undichtigkeiten führt.

HF zerstört auch den SEI-Film (Solid-Electrolyte-Interface) im Inneren der Batterie, indem es mit seinen Hauptkomponenten reagiert:

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

Schließlich bilden sich LiF-Ausfällungen im Inneren der Batterie, was zu irreversiblen chemischen Reaktionen in der negativen Elektrode führt, die aktive Lithiumionen verbrauchen und dadurch die Energiekapazität der Batterie verringern.

Bei ausreichender Feuchtigkeit entsteht mehr Gas, wodurch der Innendruck der Batterie steigt. Dies kann zu Verformungen, Schwellungen und sogar Undichtigkeiten führen und ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Bei Mobiltelefonen oder digitalen elektronischen Produkten auf dem Markt kommt es oft zu einem Anschwellen des Akkus und einem Aufplatzen der Abdeckung, was oft auf einen hohen Feuchtigkeitsgehalt und die Gasentwicklung im Inneren des Lithium-Akkus zurückzuführen ist.

 

(2) Erhöhter Innenwiderstand der Batterie:

Der Innenwiderstand der Batterie ist einer der kritischsten Leistungsparameter und dient als primärer Indikator für die Leichtigkeit, mit der sich Ionen und Elektronen innerhalb der Batterie bewegen können. Es wirkt sich direkt auf die Lebensdauer und den Betriebszustand der Batterie aus. Ein geringerer Innenwiderstand bedeutet, dass beim Entladen weniger Spannung verbraucht wird, was zu einer höheren Energieabgabe führt.

Eine Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts kann zur Bildung von POF3- und LiF-Ausscheidungen auf der Oberfläche des SEI-Films (Solid-Electrolyte-Interface) führen. Dies verschlechtert die Dichte und Gleichmäßigkeit des SEI-Films, wodurch der Innenwiderstand der Batterie allmählich zunimmt und ihre Entladekapazität abnimmt.

 

(3) Verkürzte Lebensdauer: Übermäßige Feuchtigkeit kann den SEI-Film beschädigen, was zu einem allmählichen Anstieg des Innenwiderstands und einer Verringerung der Entladekapazität führt. Mit der Zeit verkürzt sich die Nutzungsdauer des Akkus nach jeder vollständigen Aufladung und die Anzahl der normalen Lade-Entlade-Zyklen (oder Lebensdauer) nimmt ab. Dies führt letztendlich zu einer verkürzten Gesamtlebensdauer der Batterie.

2. Feuchtigkeitsquellen bei der Herstellung von Lithiumbatterien 

Während des Herstellungsprozesses von Lithiumbatterien können die Feuchtigkeitsquellen in die folgenden Kategorien eingeteilt werden: 

(1) Durch Rohstoffe eingetragene Feuchtigkeit

A. Positive und negative Materialien: Sowohl positive als auch negative aktive Materialien sind Partikel im Mikrometer- oder Nanometerbereich, die sehr anfällig für die Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft sind. Insbesondere bei ternären oder binären Kathodenmaterialien mit hohem Nickelgehalt ist ihre spezifische Oberfläche relativ groß, wodurch ihre Oberflächen anfällig für die Aufnahme von Feuchtigkeit und chemische Reaktionen sind. Werden die beschichteten Elektrodenbleche in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit gelagert, nimmt auch die Beschichtungsoberfläche der Elektrodenbleche schnell Feuchtigkeit aus der Luft auf. 

B. Elektrolyt: Die Lösungsmittelkomponente im Elektrolyten reagiert mit Wassermolekülen, und das im Elektrolyten gelöste Lithiumsalz neigt auch dazu, Feuchtigkeit zu absorbieren und chemische Reaktionen einzugehen. Daher ist im Elektrolyten ein gewisser Wasseranteil vorhanden. Wenn der Elektrolyt zu lange oder bei hoher Temperatur gelagert wird, erhöht sich der Wassergehalt im Elektrolyten. 

C. Separator: Der Separator ist eine poröse Kunststofffolie (PP/PE-Material), die über ein erhebliches Wasseraufnahmevermögen verfügt. 

(2) Feuchtigkeit, die während der Aufschlämmungsvorbereitung für Elektrodenbleche hinzugefügt wird

Bei der Herstellung der Negativelektrodenaufschlämmung wird Wasser zugegeben und vor dem Beschichten mit den Rohstoffen vermischt. Daher enthält die negative Elektrodenfolie selbst Wasser. Obwohl während des anschließenden Beschichtungsprozesses erhitzt und getrocknet wird, bleibt eine beträchtliche Menge Wasser in der Beschichtungsschicht des Elektrodenblechs adsorbiert. 

(3) Feuchtigkeit in der Werkstattumgebung

A. Feuchtigkeit in der Werkstattluft: Der Feuchtigkeitsgehalt der Luft wird im Allgemeinen anhand der relativen Luftfeuchtigkeit gemessen. Die relative Luftfeuchtigkeit schwankt je nach Jahreszeit und Wetterbedingungen stark. Im Frühling und Sommer ist die Luftfeuchtigkeit relativ hoch (über 60 %), während im Herbst und Winter die Luft trockener ist und eine geringere Luftfeuchtigkeit aufweist (unter 40 %). An regnerischen Tagen ist die Luftfeuchtigkeit höher und an sonnigen Tagen niedriger. Daher unterscheidet sich der Wassergehalt der Luft je nach Luftfeuchtigkeit: 

B. Vom Menschen erzeugtes Wasser (Schweiß, Ausatemluft, Wasser nach dem Händewaschen)

C. Eingetragene Feuchtigkeit durch diverse Hilfsstoffe und Papiere (Kartons, Lappen, Berichte) 

Kontrolle der Feuchtigkeit bei der Herstellung von Lithiumbatterien

(1) Strenge Kontrolle der Luftfeuchtigkeit in der Produktionswerkstatt

a Die Elektrodenproduktionswerkstatt zum Mischen von Aufschlämmungen sollte eine relative Luftfeuchtigkeit von ≤ 10 % aufrechterhalten;

b Die Elektrodenproduktionswerkstatt zum Beschichten (Maschinenkopf, Schwanz) und Walzen sollte eine Taupunktfeuchtigkeit von ≦-10℃ DP haben;

c In der Elektrodenfertigungshalle zum Schlitzen sollte eine relative Luftfeuchtigkeit von ≤ 10 % eingehalten werden.

d Die Stapel-, Wickel- und Montagewerkstätten sollten eine Taupunktfeuchtigkeit von ≦-35℃ DP haben;

e Die Elektrolytinjektions- und Versiegelungsprozesse für die Batteriezellen sollten eine Taupunktfeuchtigkeit von ≦-45℃ DP aufweisen.

(2) Striktes Management der vom Menschen und der Außenumgebung in die Werkstatt eingebrachten Feuchtigkeit

a Einhaltung der betrieblichen Vorschriften:

-- Mitarbeiter müssen beim Betreten der Trocknungswerkstatt ihre Kleidung wechseln, Hüte tragen, Schuhe wechseln und Masken tragen;

-- Es ist verboten, die Elektrodenfolien und Batteriezellen mit bloßen Händen zu berühren;

b Management der durch Hilfsstoffe eingebrachten Feuchtigkeit:

-- Es ist strengstens verboten, Kartons in die Trocknungswerkstatt zu bringen;

-- Papieraushänge und Schilder im Trockenbereich müssen laminiert sein;

-- Es ist verboten, den Boden im Trockenbereich mit Wasser zu wischen.

 

(3) Strenge Kontrolle der Lagerung und Einwirkzeit von Elektrodenfolien

a Management der Lagerung bei geringer Luftfeuchtigkeit:

-- Elektrodenbleche müssen nach dem Rollen und Schlitzen innerhalb von 30 Minuten in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit (≦-35℃ DP) gelagert werden;

-- Elektrodenfolien, die nach dem Backen nicht sofort zu Zellen verarbeitet oder gewickelt werden können, müssen unter Vakuum (≦-95 kPa) gelagert werden;

b Management der Belichtungszeit:

-- Nach dem Backen müssen die Elektrodenbleche innerhalb von 72 Stunden verarbeitet, gewickelt, verpackt, mit Elektrolyt gefüllt und versiegelt werden (Werkstatt-Taupunktfeuchtigkeit ≦-35℃);

c First-in-First-out-Management:

-- Bei der Verwendung von Elektrodenfolien gilt die First-In-First-Out-Regel, das heißt, die früheren Chargen werden zuerst verwendet; diejenigen, die zuerst gebacken werden, werden zuerst verwendet.

 

(4) Strenge Kontrolle des Backprozesses für Elektrodenbleche und Separatoren

a Vor dem Gebrauch müssen Elektrodenbleche und Separatoren eingebrannt werden;

b Wenn Elektrodenbleche und Separatoren vor der Zellverarbeitung und dem Wickeln nicht gebacken werden können, müssen die Zellen vor der Elektrolytinjektion gebacken werden;

c Während des Backvorgangs von Elektrodenblechen oder -zellen müssen die Ofenparameter (Temperatur, Zeit, Vakuum) streng überwacht werden;

dDie Ofentemperatur und das Vakuum müssen regelmäßig kalibriert werden, um die Genauigkeit sicherzustellen.

 

(5) Prüfung und Kontrolle des Wassergehalts

A. Der Wassergehalt von Elektrodenplatten, Separatoren (oder Zellen) und Elektrolyt muss vor der Elektrolytinjektion getestet werden und den Standards entsprechen.

B. Prüfmethode: Probenahme gemäß den Vorschriften; Verwendung eines Karl-Fischer-Feuchtigkeitstesters zur Messung;

C. Standards für akzeptablen Wassergehalt:

-- Wassergehalt der Elektrodenbleche ≦200ppm (Vorkontrolle ≦150ppm)

-- Wassergehalt der Abscheider ≦600ppm

-- Wassergehalt des Elektrolyten ≦20 ppm

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