在锂离子电池的制造过程中的控制

浅析锂电制造

在锂离子电池的制造过程中，有很多东西是必须严格控制的，一是粉尘，二是金属颗粒，三是水分。

首先我们要了解什么是湿度

表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示；若表示在湿蒸汽中液态水分的重量占蒸汽总重量的百分比，则称之为蒸汽的湿度。

什么是干燥度

表示气候干燥程度的指数。又称干燥指数，通常有字母K表示。它是可能蒸发量与降水量的比值，反映了某地、某时段水分的收入和支出状况。显然，它比仅仅使用降水量或蒸发量反映一地水分的干湿状况更加确切。由于可能蒸发量的计算方法不同，干燥度的表示方式也有多种。有以年平均气温或高于10℃积温的0.1倍表示可能蒸发的，有以辐射差额反映可能蒸发的。干燥度的倒数称湿润度或湿润指数。以K值为1.0的等值线来区分湿润地区和半湿润地区的指标。K<1为湿润地区，k=1~1.25为半湿润地区。这条等值线大致相当于秦岭——淮河线。但此线以北的大、小兴安岭，长白山地，胶东半岛的K值亦小于1。k<1的地区表示降水量大于可能蒸发量，植被为森林；k=1~1.25为半湿润区，植被为森林草原，草甸草原，土壤中有一些石灰质积累，有些地区有盐渍化现象，旱患频率较大.K>1.25~4为半干旱地区，包括广大的西北地区和青藏高原，半干旱地区与干草原区相当。K>4为干旱地区，植被为干荒漠，发展农业需进行灌溉;土壤中含有较多的可溶性盐类。

而水分对锂离子电池影响巨大，主要会造成以下不良后果：

1、电解液变质，使电池生锈

我们公司电池的所用的电解液，是不能在水分过高的环境下使用的。电池注液的时候，必须要在小于1%湿度的环境下，并且注液后赶快封口，阻止电池内部和空气接触。如果水分过高，电解液和水分反应，生成微量有害气体，对注液房环境有不良影响；这也会影响电解液本身的质量，使得电池性能不良；还会使电池生锈。

2、电池内部压力过大

水分会和电解液中的一种成分反应，生成有害气体。当水分足够多时，电池内部的压力就变大，从而引起电池受应何外力磕碰就会变形。如果是手机电池，就表现为鼓壳；如果是我们的圆柱电池，就表现为壳表面在转运与包装磕碰出现凹点及高度超，那防爆阀就会开裂，电池也就报废了。当内部压力再高的时候，电池就有危险了，爆裂使得电解液喷溅，电池碎片也容易伤人。

3、高内阻(High ACR)

电池在使用的时候，内阻小，就能进行大电流放电，电池的功率也就很高；如果内阻大，就不能进行大电流放电，电池的功率也就比较低。就比如手机电池，快没电的时候，可以收发短信，但不能打电话，一打电话就关机。这是因为打电话的时候，需要的功率大于收发短信所需。

4、高自放电(HSD)

自放电，是指电池在不使用的情况下，电量也会损耗。当这个损耗在规定的情况下超过一定量之后，这只电池就被认为是高自放电，成为B品或报废电池。HSD很严重的时候，充满电的电池，过不了多久，电量就会损耗殆尽，甚至使的电池的电压变为0V。

而我们公司生产的锂离子电池，任何情况下电压是不能低于2.0V的，如果电压低于2.0V，电池就会出现不可逆转的化学反应，就失去了循环充放电的能力，电池也就报废了。对于客户（使用者）而言，自放电所引起的结果就是，手机今天充电，明天就没电，电动车今天骑来公司的时候，还是满电的，下班的时候，就已经没有电了，汽车停在停车场半个月，重新启动时没有电了。这些，都是自放电电池在客户端的表现，它会让电池失去使用功能，而导致客户非常不满。

对于我们自己而言，高自放电的电池多了，我们的合格率就低了，如果有5%的电池高自放电，当我们产量达到40000只/天的时候，就意味着每天有2000只电池需要报废，意味着14万块钱要报废，一年将有168万块报废，如果用来买汽车，意味着报废了10辆中档轿车，如果买房子，在上海郊区应该可以买两套了。

5、低容量

电池内部水分过高，损耗了电解液的有效成分，也损耗了锂离子，使得锂离子在电池负极片发生不可逆转的化学反应。消耗了锂离子，电池的能量就减少了。

如用18650-26650电池给电钻供电，充满电后本来可以使用1小时，因为电池内部有水分，就只能使用50分钟了；用作汽车电池来供电，充满电后本来可以行驶150公里，结果只能行驶100公里，如果偏偏前不着村后不挨店，没法充电的话，还得找个拖车来拖汽车。

6、低循环寿命

我们公司的电池，是锂离子电池家族中，寿命最长的，18650与26650可以充放电循环3000次。如果水分超标，情况就不会这么乐观了。

18650与26650装进电动工具，承诺给客户说可以使用5年，结果4年

就充不进电、干不了活了，客户会答应吗，还会买我们的电池吗？

作成组合装进电动汽车，承诺可以使用10年，结果8年9年的时候，开不了几公里就没电了。如果我们自己就是用户，我们会答应吗？

7、电池漏液

当电池内部的水分多的时候，电池内部的电解液和水反应，其产物将是气体和氢氟酸，氢氟酸是一中腐蚀性很强的酸，它可以使电池内部的金属零件腐蚀，进而使电池最终漏液。

如果电池漏液，电池的性能将急速下降，而且电解液还会对使用者的机器进行腐蚀，终而引起更加危险的失效。

水分的来源

车间中的水分来源的来源多种多样，一般来自于以下几个方面：空气中的水分、人体出汗产生的水分、人体呼吸产生的水分；雨天，衣服淋湿之后，没有完全干燥就进入车间；洗手后，手没有烘干就进入车间。水分还来自纸箱等包装物，这些包装物的含水量很高，也是水分的来源之一，对于我们所使用的原材料，辅料，他们也是带有不同含量的水分的，譬如纸巾，譬如隔膜纸，譬如极片，他们都是吸水性非常强的物质，一旦水分被吸进去，就要花能量去把它除掉。

空气中的水分，一般用相对湿度来衡量。在不同温度和天气，有很大的差别，在夏天的雨天可以达到90%，冬天的雪天则30%左右，在夏天的晴天50%左右，冬天的晴天则20%左右。人呼吸的时候，距离鼻孔2厘米，湿度则达到85%。

空气中水的重量，可以参见下表：

21℃时湿度水分含量/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

电池中的水分来源

车间中的水分控制，最终还是要用于控制电池中的水分。对于电池中的水分，它的来源就主要是来之于材料，当然也涉及环境。

正极片

我们的正极片使用的如是纳米材料，这种纳米材料具有很强的吸水性，如“NMP”在涂布没烘烤干，极片很容易吸收周围的空气中水分。（外界一般状态下空气中的水分含量在30%-90%以上，随天气而变。）负极片

负极片比正极片来说，吸水性相对低一点，当然，在没有控制湿度的环境下，其从环境空气中吸水数量也是相当可观的。

隔膜纸

隔膜纸也是一种多孔性的塑料薄膜，其吸水性也是很大的。

电解液

电解液是一种非常怕水的物质，它也非常容易吸水，他会和水进行化学反应，直至所有的电解液物质反映完成，也就是说，他喝水的能力是永无止境，直至自己死掉。

其他金属零件

虽然金属零件本身对水分的吸收有限，但是，金属零件对水分却很怕，因为水分的存在会使其生锈或者腐蚀。

材料中的水分含量是电池中水分的主要来源，当然，环境湿度越大，电池材料越容易吸收水分。

在30%组装车间

在这个车间，是电池材来吸水的主要场所，所有的重要原材料，正极片，负极片，隔膜纸，电池零件都暴露在这个车间一段时间，所以，他是电池材料吸水的主要场所，而且，停留时间越长，吸的水分就越多，因此，在这个车间，我们应该保证产品呆在这个车间的时间越短越好。

在30%激光焊车间

激光焊车间也是30%的湿度，因为电池在这个阶段还没有封口，所以也需要控制电池在这个车间等待的时间，保证电池的水分含量足够小。

在车间走廊(约30～90%，随天气而变)

车间走廊是没有控制湿度的，如果电池等待在这个区域，那么它的吸水性将是最大的，所以，要100%避免未封口的电池和材料暴露在这个区域。一卷点焊了极耳的正极片，完全干燥后，在(50～70)%的环境下经过一天，吸水量达到极片本身的0.3%，经过两天，水分达到0.5%，经过五天，水分达到0.7%；换算成电池的话，则1只电池1天吸5-10滴水。因此电池转移经过车间走廊时，一定要迅速稳健。

在30%烘烤房

这个车间，是非常重要的，之所以说重要是，因为电池吸收到的所有水分，都必须通过这个工序烘烤出来。如果烘烤不出来，那么，前面所有提到的问题都会在我们的产品表现出来。烘烤后的电池必须在最短的时间内

转进注液房，否则，电池将会吸水很严重。

烘烤后的电池，在30%的房间，仅仅由一个盖帽孔透气，就会在15分钟吸水达到电池本身重量的0.006%，也就是0.012g，几乎是五分之一滴水。然后需要在过渡烘箱加烘至少4小时，才能再次烘干这15分钟的吸水量。

在1%注液房

这个房间，是湿度应该最严格控制的房间，湿度应该控制在1%以下，温度控制在23℃以下。如果达不到这个要求，前面所有的控制都会失败，电池会重新吸收水分，电解液在注液过程中也会吸收水分。如果这里控制不好，前功尽弃。仅仅由一个小小的缝隙透气，就会在16个小时后，吸水达到电池本身重量的0.01%，也就是0.02g，几乎是1滴水的三分之一。

因此电池转进注液房以后，我们要一次注液封口后陈化，等待注液的电池，还要存在真空箱内，抽真空以阻止空气中的水分。

在这个1%的注液房，需要一个功率很大的除湿机来输送干空气。假如带1滴水(1滴水约为0.05g)进入注液房，就需要耗费5度电才能除掉这1滴水。

在能源紧缺的今天，这是一个巨大的浪费。虽然电费由公司来出，但发电站在我们国家，用煤发电又会向空气中排放很多污染，损害的依旧是我们自己。

所以在雨天，淋湿的衣服一定要干燥后才能进入车间；

洗手后一定用干手机烘干手上的水珠；

进入圆柱装配车间时，一定要经过风淋系统。

这一点一滴，保护的不仅仅是公司的利益，更是我们家园的环境。

目前的除水措施

消除环境水分：我们建立干燥车间。用干燥机生成干燥空气，不断的输

进干燥车间，置换车间内的湿空气。

消除电池内部的水分：用真空烘烤来除水；烘烤结束后，首先要测试电池是否烘烤合格，这个测试仪器花了15万块钱。把电池在水分最低的注液房（湿度＜1%）用最短的时间内完注液，陈化，封口，阻止电池和空气中的水分接触；在没封口之前，还要存放在真空烤箱里。

人体水分的控制：这项措施，我们每天都在进行着，戴口罩，穿防静电服。这种保护是双向的，保护了电池，也保护了我们不被灰尘侵扰。

在洗手间，我们都配备了自动干手机，洗完手之后，吹干再回车间。

用湿布擦拭设备及清洗工作环境，这种方式，我们平常在普遍使用，当然，对于我们工厂而言，这种方式就不允许了，因为我们的产品怕水。所以，用湿布来除尘，当然就有可能把整个干燥间的湿度水平降低下来了，因而引起产品的不良。虽然DMC和酒精等同样可以用于清洗，但是DMC易于腐蚀塑料表面，而酒精也是我们产品所不能接触的东西，因此，在30%干燥间，DMC可以用于擦拭金属的零件，却不能用于擦拭塑料的零件，塑料零件可以用防静电液进行擦拭。但是，在1%的注液间中，就只能用纯DMC 了。

在此相关的电池制造，我只能写出这些了，欢迎大家指点修改。