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鋰電池行業(yè)水分的關(guān)鍵性
閱讀：2055 發(fā)布時間：2016-4-6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(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，對注液房環(huán)境有不良影響；這也會影響電解液本身的質(zhì)量，使得電池性能不良；還會使電池鉚釘生銹。
2、 電池內(nèi)部壓力過大
水分會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，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，那防爆閥就會開裂，電池也就報廢了。當(dāng)內(nèi)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。 關(guān)于電池的水分含量，可以用深圳冠亞生產(chǎn)的SFY-20A電池材料水分測定儀來，來快速測定電池材料的水分，杜絕樣品的不良。
3、 高內(nèi)阻(High ACR)
電池在使用的時候，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，快沒電的時候，可以收發(fā)短信，但不能打，一打就關(guān)機(jī)。這是因為打的時候，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，電量也會損耗。當(dāng)這個損耗在規(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品或報廢電池。
HSD很嚴(yán)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?yōu)?V。
而公司生產(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，電池也就報廢了。
對于客戶（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，電動車今天騎來公司的時候，還是滿電的，下班的時候，就已經(jīng)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(xiàn)，它會讓電池失去使用功能，而導(dǎo)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(dāng)我們產(chǎn)量達(dá)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(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，因為電池內(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zui長的，26650可以充放電循環(huán)3000次。如果水分超標(biāo)，情況就不會這么樂觀了。
26650裝進(jìn)電動工具，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，客戶會答應(yīng)嗎，還會買我們的電池嗎？
32xxx裝進(jìn)電動汽車，承諾可以使用10年，結(jié)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(yīng)嗎？
7、 電池漏液
當(dāng)電池內(nèi)部的水分多的時候，電池內(nèi)部的電解液和水反應(yīng)，其產(chǎn)物將是氣體和氫氟酸，氫氟酸是一中腐蝕性很強(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(jī)器進(jìn)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(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(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，吸水性相對低一點，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(dāng)然，環(huán)境濕度越大，電池材料越容易吸收水分。電池原材料的水分控制也是很重要的，建議可以用深圳冠亞的電池材料水分檢測儀，來快速測定樣品的水分含量。該儀器全自動操作模式，簡單快速，是電池測水的好幫手。
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(fù)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(yīng)該保證產(chǎn)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(qū)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(qū)域。下圖是一卷點焊了極耳的正極片，*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，一定要迅速穩(wěn)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(chǎn)品表現(xiàn)出來。烘烤后的電池必須在zui短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)注液房，否則，電池將會吸水很嚴(yán)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(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，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(yīng)該zui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(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，我們要用膠帶暫時封住注液孔，當(dāng)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(nèi)，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(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(fā)電站在我們國家，用煤發(fā)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(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，一定要經(jīng)過風(fēng)淋系統(tǒng)。
這一點一滴，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(nèi)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(xiàn)為電池容量變小，放電時間變短，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(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(nèi)阻的影響：
隨著電池水分的增加，內(nèi)阻呈上升的趨勢。產(chǎn)生電池內(nèi)阻差異的主要因素有如下2個方面。
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，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，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，Li十嵌人空位被電解液溶劑占據(jù)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(dāng)水分含量過量時，會導(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。
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(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，對于我們工廠而言，這種方式就不允許了，因為我們的產(chǎn)品怕水。所以，用濕布來除塵，當(dāng)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(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。