水分對鋰電池行業起到的作用及重要性

點擊次數：395 發布時間：2015-10-21

水分對鋰電池行業起到的作用及重要性，在鋰離子電池的制造過程中，有很多東西是必須嚴格控制的，一是粉塵，二是金屬顆粒，三是水分。下面深圳市芬析儀器制造有限公司具體講解水分對鋰電池行業起到的作用及重要性

水分對鋰離子電池影響巨大，主要會造成以下不良后果： 
1、 電解液變質，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境下使用的。電池注液的時候，必須要在小于1%濕度的環境下，并且注液后趕快封口，阻止電池內部和空氣接觸。如果水分過高，電解液和水分反應，生成微量有害氣體，對注液房環境有不良影響；這也會影響電解液本身的質量，使得電池性能不良；還會使電池鉚釘生銹。 
2、 電池內部壓力過大 
水分會和電解液中的一種成分反應，生成有害氣體。當水分足夠多時，電池內部的壓力就變大，從而引起電池受力變形。如果是手機電池，就表現為鼓殼；如果是我們的26650電池，就表現為高度超標。如果是我們的32xxx電池，那防爆閥就會開裂，電池也就報廢了。當內部壓力再高的時候，電池就有危險了，爆裂使得電解液噴濺，電池碎片也容易傷人。 
3、 高內阻(High ACR)
電池在使用的時候，內阻小，就能進行大電流放電，電池的功率也就很高；如果內阻大，就不能進行大電流放電，電池的功率也就比較低。就比如手機電池，快沒電的時候，可以收發短信，但不能打，一打就關機。這是因為打的時候，需要的功率大于收發短信所需。 
4、 高自放電(HSD)
自放電，是指電池在不使用的情況下，電量也會損耗。當這個損耗在規定的情況下超過一定量之后，這只電池就被認為是高自放電，成為B品或報廢電池。 
HSD很嚴重的時候，充滿電的電池，過不了多久，電量就會損耗殆盡，甚至使的電池的電壓變為0V。 
而我們公司生產的鋰離子電池，任何情況下電壓是不能低于2.0V的，如果電壓低于2.0V，電池就會出現不可逆轉的化學反應，就失去了循環充放電的能力，電池也就報廢了。 
對于客戶（使用者）而言，自放電所引起的結果就是，手機今天充電，明天就沒電，電動車今天騎來公司的時候，還是滿電的，下班的時候，就已經沒有電了，汽車停在停車場半個月，重新啟動時沒有電了。這些，都是自放電電池在客戶端的表現，它會讓電池失去使用功能，而導致客戶非常不滿。 
對于我們自己而言，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，當我們產量達到40000只/天的時候，就意味著每天有2000只電池需要報廢，意味著14萬塊錢要報廢，一年將有168萬塊報廢，如果用來買汽車，意味著報廢了10輛中檔轎車，如果買房子，在常州新北區應該可以買兩三套了。 
5、 低容量 
電池內部水分過高，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極片發生不可逆轉的化學反應。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，因為電池內部有水分，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，還得找個拖車來拖汽車。 
6、 低循環壽命 
我們公司的電池，是鋰離子電池家族中，壽命zui長的，26650可以充放電循環3000次。如果水分超標，情況就不會這么樂觀了。
26650裝進電動工具，承諾給客戶說可以使用5年，結果4年就充不進電、干不了活了，客戶會答應嗎，還會買我們的電池嗎？ 
32xxx裝進電動汽車，承諾可以使用10年，結果8年9年的時候，開不了幾公里就沒電了。如果我們自己就是用戶，我們會答應嗎？ 
7、 電池漏液 
當電池內部的水分多的時候，電池內部的電解液和水反應，其產物將是氣體和氫氟酸，氫氟酸是一中腐蝕性很強的酸，它可以使電池內部的金屬零件腐蝕，進而使電池zui終漏液。 
如果電池漏液，電池的性能將急速下降，而且電解液還會對使用者的機器進行腐蝕，終而引起更加危險的失效。

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方面：空氣中的水分、人體出汗產生的水分、人體呼吸產生的水分；雨天，衣服淋濕之后，沒有*干燥就進入車間；洗手后，手沒有烘干就進入車間。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的物質，一旦水分被吸進去，就要花能量去把它除掉。 
空氣中的水分，一般用相對濕度來衡量。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。人呼吸的時候，距離鼻孔2厘米，濕度則達到85%。 
空氣中水的重量，可以參見下表：

21℃時濕度 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，zui終還是要用于控制電池中的水分。對于電池中的水分，它的來源就主要是來之于材料，當然也涉及環境。 
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的吸水性，很容易周圍的空氣中吸收水分。 
負極片 
負極片比正極片來說，吸水性相對低一點，當然，在沒有控制濕度的環境下，其從環境空氣中吸水數量也是相當可觀的。 
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，它也非常容易吸水，他會和水進行化學反應，直至所有的電解液物質反映完成，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水分的吸收有限，但是，金屬零件對水分卻很怕，因為水分的存在會使其生銹或者腐蝕。

材料中的水分含量是電池中水分的主要來源，當然，環境濕度越大，電池材料越容易吸收水分。 
在30%組裝車間 
在這個車間，是電池材來吸水的主要場所，所有的重要原材料，正極片，負極片，隔膜紙，電池零件都暴露在這個車間一段時間，所以，他是電池材料吸水的主要場所，而且，停留時間越長，吸的水分就越多，因此，在這個車間，我們應該保證產品呆在這個車間的時間越短越好。 
在30%激光焊車間 
激光焊車間也是30%的濕度，因為電池在這個階段還沒有封口，所以也需要控制電池在這個車間等待的時間，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區域，那么它的吸水性將是zui大的，所以，要100%避免未封口的電池和材料暴露在這個區域。下圖是一卷點焊了極耳的正極片，*干燥后，在(50～70)%的環境下的吸水圖：

由圖可見，經過一天，吸水量達到極片本身的0.3%，經過兩天，水分達到0.5%，經過五天，水分達到0.7%；換算成32113電池的話，則1只電池1天吸20滴水。因此電池轉移經過車間走廊時，一定要迅速穩健。

在30%烘烤房 
這個車間，是非常重要的，之所以說重要是，因為電池吸收到的所有水分，都必須通過這個工序烘烤出來。如果烘烤不出來，那么，前面所有提到的問題都會在我們的產品表現出來。烘烤后的電池必須在zui短的時間內轉進注液房，否則，電池將會吸水很嚴重。下面是烘干后的電池在烘烤房陳放時的吸水曲線：

這個圖說明，烘烤后的電池，在30%的房間，僅僅由一個小小的注液孔透氣，就會在15分鐘吸水達到電池本身重量的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，才能再次烘干這15分鐘的吸水量。

在1%注液房 
這個房間，是濕度應該zui嚴格控制的房間，濕度應該控制在1%以下，溫度控制在23C以下。如果達不到這個要求，前面所有的控制都會失敗，電池會重新吸收水分，電解液在注液過程中也會吸收水分。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。僅僅由一個小小的注液孔透氣，就會在16個小時后，吸水達到電池本身重量的0.01%，也就是0.02g，幾乎是1滴水的一半。 
因此電池轉進注液房以后，我們要用膠帶暫時封住注液孔，當注液的時候才能拿開，一次注液后陳化時，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，抽真空以阻止空氣中的水分。

在這個1%的注液房，需要一個功率很大的除濕機來輸送干空氣。假如帶1滴水(1滴水約為0.05g)進入注液房，就需要耗費5度電才能除掉這1滴水。 
在能源緊缺的今天，這是一個巨大的浪費。雖然電費由公司來出，但發電站在我們國家，用煤發電又會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入車間； 
洗手后一定用干手機烘干手上的水珠； 
進入26650裝配車間時，一定要經過風淋系統。 
這一點一滴，保護的不僅僅是公司的利益，更是我們家園的環境。 
固體電解質界面(Solid-ElectrolyteInterface，簡稱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SEI膜形成的電位、致密程度、電池不可逆容量損失、電池內阻等有顯著的影響。水作為電解液中一種痕量組分，對鋰離子電池SEI膜的形成和電池性能有一定的影響。主要表現為電池容量變小，放電時間變短，內阻增大，循環容量衰減，電池膨脹等現象，因此，在鋰離子電池的制作過程中，必須嚴格控制環境的濕度和正負極材料、電解液的含水量。
水分對放電容量的影響：
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生反應，2ROC02Li+H2O→LieC03+C02+2ROH，當生成C02后，在低電位下的負極表面，有新的化學反應發生2C02+2Li++2e→LieC03+CO。
2、SEI膜形成以后，在仍然有H2O存在的條件下，H2O會促使電解液中LiPF6的分解，使電池放電時間縮短，LiPF6→LiF+PFs，PFs+H2O→POF3+2HF。
水分對鋰電池內阻的影響：
隨著電池水分的增加，內阻呈上升的趨勢。產生電池內阻差異的主要因素有如下2個方面。
1、SEI膜的差異導致電池內阻的差異。在電解液溶劑體系中，痕量的水能夠形成以Li2CO3為主、穩定性好、均勻致密的SEI膜，其內阻較小。
2、水分含量多于體系形成SEI膜的所需含量時，在SEI膜表面生成POF3和LiF沉淀，導致電池內阻增加。
水分對電池循環容量衰減的影響：
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。當SEI膜均勻致密時，電解液溶劑不易嵌人到負極中，占據Li十嵌人空位，因此容量衰減很少。與此相反，當SEI膜的局部不致密、不均勻時，Li十嵌人空位被電解液溶劑占據相對較容易。LieC03是形成均勻致密SEI膜zui主要的組分，電解液溶劑體系中，當水分含量過量時，會導致SEI膜的局部不致密、不均勻，因此容量衰減增加。
電池會膨脹主要是因為SEI膜生成后水的存在使LiPF6分解生成HF氣體。

鋰電池極片水分測定儀產品介紹：

在水分檢測領域，測量準確性和測量速度之間的矛盾一直沒有解決；針對這一現狀深圳市芬析儀器制造有限公司提供一種有烘干法結構的快速測定水分的儀器。CSY-L鹵素快速水分測定儀采用電磁力平衡傳感器稱重系統，保證稱重準確；環形石英鎢鹵紅外線加熱源，快速干燥樣品；在干燥過程中，CSY-L鹵素快速水分測定儀持續測量并即時顯示樣品丟失的水分含量%，干燥程序完成后，zui終測定的水分含量值被鎖定顯示。與烘箱加熱法相比，環形石英鎢鹵紅外線加熱可以在高溫下將樣品均勻地快速干燥，樣品表面不易受損，其檢測結果與國標烘箱法具有良好的一致性，具有可替代性，且檢測效率遠遠高于烘箱法。智能化操作，一般樣品只需幾分鐘即可完成測定，是一種新型的快速檢測儀器。

目前的除水措施 
消除環境水分：我們建立干燥車間。用干燥機生成干燥空氣，不斷的輸進干燥車間，置換車間內的濕空氣。 
消除電池內部的水分：用真空烘烤來除水；烘烤結束后，首先要測試電池是否烘烤合格，這個測試儀器花了15萬塊錢。把電池在水分zui低的注液房 （濕度＜1%）用zui短的時間內完注液，陳化，封口，阻止電池和空氣中的水分接觸；在沒封口之前，還要用膠帶封進注液孔。 
人體水分的控制：這項措施，我們每天都在進行著，戴口罩，穿防靜電服。這種保護是雙向的，保護了電池，也保護了我們不被灰塵侵擾。 
在洗手間，我們都配備了自動干手機，洗完手之后，吹干再回車間。 
用濕布擦拭設備及清洗工作環境，這種方式，我們平常在普遍使用，當然，對于我們工廠而言，這種方式就不允許了，因為我們的產品怕水。所以，用濕布來除塵，當然就有可能把整個干燥間的濕度水平降低下來了，因而引起產品的不良。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行擦拭。但是，在1%的注液間中，就只能用純DMC了。