L'influenza dell'umidità nel processo di produzione delle batterie al litio

Durante il processo di produzione delle batterie agli ioni di litio, ci sono tre elementi cruciali che devono essere rigorosamente controllati: polvere, particelle metalliche e umidità. Se la polvere e le particelle metalliche non vengono controllate adeguatamente, si verificheranno direttamente incidenti di sicurezza come cortocircuiti interni e incendi nella batteria. Se l'umidità non viene controllata in modo efficace, ciò causerà anche danni significativi alle prestazioni della batteria e porterà a gravi incidenti di qualità! Pertanto, è fondamentale controllare rigorosamente il contenuto di acqua dei materiali principali come elettrodi, separatori ed elettroliti durante il processo di produzione. Non deve esserci rilassamento e vigilanza costante!
Quella che segue è una spiegazione dettagliata di tre aspetti: il danno dell'umidità alle batterie al litio, la fonte dell'umidità durante il processo di produzione e il controllo dell'umidità durante il processo di produzione.

1. Danni causati dall'umidità alle batterie al litio

(1) Rigonfiamento e perdite della batteria: se è presente eccessiva umidità nelle batterie agli ioni di litio, questa reagisce chimicamente con il sale di litio nell'elettrolito, generando HF:

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

L'acido fluoridrico (HF) è un acido altamente corrosivo che può causare danni significativi alle prestazioni della batteria:

L'HF corrode i componenti metallici, l'involucro della batteria e le guarnizioni all'interno della batteria, provocando infine crepe, rotture e perdite.

L'HF distrugge anche la pellicola SEI (Solid-Electrolyte-Interface) all'interno della batteria reagendo con i suoi componenti principali:

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

Alla fine, all'interno della batteria si formano precipitati di LiF, che provocano reazioni chimiche irreversibili nell'elettrodo negativo che consumano ioni di litio attivi, riducendo così la capacità energetica della batteria.

Quando c'è una quantità sufficiente di umidità, viene generato più gas, aumentando la pressione interna della batteria. Ciò può portare a deformazioni, rigonfiamenti e persino perdite, costituendo un rischio per la sicurezza.

Molti casi di rigonfiamento della batteria e di scoppio della copertura riscontrati nei telefoni cellulari o nei prodotti elettronici digitali sul mercato sono spesso attribuiti all'elevato contenuto di umidità e alla generazione di gas all'interno della batteria al litio.

 

(2) Maggiore resistenza interna della batteria:

La resistenza interna della batteria è uno dei parametri prestazionali più critici e funge da indicatore primario della facilità con cui ioni ed elettroni possono viaggiare all'interno della batteria. Influisce direttamente sulla durata del ciclo di vita e sullo stato operativo della batteria. Una resistenza interna inferiore significa che viene consumata meno tensione durante la scarica, con conseguente maggiore produzione di energia.

Un aumento del contenuto di umidità può portare alla formazione di precipitati POF3 e LiF sulla superficie della pellicola SEI (Solid-Electrolyte-Interface). Ciò degrada la densità e l'uniformità della pellicola SEI, aumentando gradualmente la resistenza interna della batteria e diminuendone la capacità di scarica.

 

(3) Durata del ciclo ridotta: l'umidità eccessiva può danneggiare la pellicola SEI, portando ad un aumento graduale della resistenza interna e ad una diminuzione della capacità di scarico. Con il passare del tempo, il tempo utilizzabile della batteria dopo ogni carica completa si riduce e il numero di cicli di carica-scarica normali (o durata di vita) diminuisce. Ciò si traduce in definitiva in una durata complessiva della batteria ridotta.

2.Fonti di umidità nella produzione di batterie al litio 

Durante il processo di produzione delle batterie al litio, le fonti di umidità possono essere classificate nei seguenti aspetti: 

(1) Umidità introdotta attraverso le materie prime

UN. Materiali positivi e negativi: sia i materiali attivi positivi che quelli negativi sono particelle su scala micrometrica o nanometrica, altamente suscettibili all'assorbimento di umidità dall'aria. Soprattutto per i materiali catodici ternari o binari con un elevato contenuto di nichel, la loro area superficiale specifica è relativamente ampia, rendendo le loro superfici inclini ad assorbire umidità e a subire reazioni chimiche. Se i fogli di elettrodi rivestiti vengono conservati in un ambiente con elevata umidità, anche la superficie di rivestimento dei fogli di elettrodi assorbirà rapidamente l'umidità dall'aria. 

B. Elettrolita: il componente solvente nell'elettrolita reagisce con le molecole d'acqua e anche il soluto del sale di litio nell'elettrolita è incline ad assorbire umidità e a subire reazioni chimiche. Pertanto, nell'elettrolito è presente una certa quantità di acqua. Se l'elettrolito viene conservato per troppo tempo o ad una temperatura elevata, il contenuto di acqua all'interno dell'elettrolito aumenterà. 

C. Separatore: il separatore è una pellicola di plastica porosa (materiale PP/PE), che ha una significativa capacità di assorbimento dell'acqua. 

(2) Umidità aggiunta durante la preparazione dell'impasto liquido per i fogli di elettrodi

Durante la preparazione della sospensione dell'elettrodo negativo, viene aggiunta acqua e miscelata con le materie prime prima del rivestimento. Pertanto, lo stesso foglio dell'elettrodo negativo contiene acqua. Sebbene durante il successivo processo di rivestimento vi sia riscaldamento ed essiccazione, una notevole quantità di acqua rimane adsorbita all'interno dello strato di rivestimento del foglio di elettrodo. 

(3) Umidità nell'ambiente dell'officina

UN. Umidità nell'aria dell'officina: il contenuto di umidità nell'aria viene generalmente misurato mediante l'umidità relativa. L'umidità relativa varia notevolmente a seconda della stagione e delle condizioni meteorologiche. Durante la primavera e l'estate l'umidità dell'aria è relativamente elevata (superiore al 60%), mentre in autunno e inverno l'aria è più secca con un'umidità inferiore (inferiore al 40%). L'umidità dell'aria è maggiore nelle giornate piovose e minore nelle giornate soleggiate. Pertanto il contenuto di acqua nell’aria varia in base all’umidità: 

B. Acqua generata dall'uomo (sudore, respiro espirato, acqua dopo essersi lavati le mani)

C. Umidità introdotta da materiali ausiliari vari e carta (cartoni, stracci, rapporti) 

Controllo dell'umidità durante la produzione di batterie al litio

(1) Controllo rigoroso dell'umidità nel laboratorio di produzione

a L'officina di produzione degli elettrodi per la miscelazione dei liquami deve mantenere un'umidità relativa di ≦10%;

b L'officina di produzione degli elettrodi per il rivestimento (testa della macchina, coda) e la laminazione deve avere un'umidità del punto di rugiada di ≦-10℃ DP;

c L'officina di produzione degli elettrodi per il taglio deve mantenere un'umidità relativa di ≦10%;

d Le officine di impilamento, avvolgimento e assemblaggio dovrebbero avere un punto di umidità di rugiada di ≦-35℃ DP;

e I processi di iniezione e sigillatura dell'elettrolito per le celle della batteria devono avere un punto di umidità dell'aria di rugiada di ≦-45℃ DP.

(2) Gestione rigorosa dell'umidità introdotta nell'officina dagli esseri umani e dall'ambiente esterno

a Rispetto delle norme operative:

-- I dipendenti devono cambiarsi i vestiti, indossare cappelli, cambiare scarpe e indossare maschere quando entrano nel laboratorio di essiccazione;

-- È vietato toccare gli elettrodi e le celle della batteria a mani nude;

b Gestione dell'umidità introdotta dai materiali ausiliari:

-- È severamente vietato introdurre cartoni nel laboratorio di essiccazione;

-- Le affissioni cartacee e le insegne nell'area di asciugatura devono essere plastificate;

-- È vietato lavare il pavimento con acqua nella zona di asciugatura.

 

(3) Controllo rigoroso della conservazione e del tempo di esposizione degli elettrodi

a Gestione dello stoccaggio a bassa umidità:

-- I fogli degli elettrodi dopo la laminazione e il taglio devono essere conservati in un ambiente a bassa umidità (≦-35℃ DP) entro 30 minuti;

-- I fogli di elettrodi che non possono essere trasformati immediatamente in celle o avvolti dopo la cottura devono essere conservati sotto vuoto (≦-95 kpa);

b Gestione del tempo di esposizione:

-- Dopo la cottura, i fogli degli elettrodi devono essere lavorati, avvolti, confezionati, riempiti con elettrolita e sigillati entro 72 ore (umidità del punto di rugiada in officina ≦-35 ℃);

c Gestione first-in, first-out:

-- L'uso di fogli di elettrodi deve seguire la regola first-in, first-out, ovvero i lotti precedenti vengono utilizzati per primi; quelli cotti prima vengono usati per primi.

 

(4) Controllo rigoroso del processo di cottura per fogli di elettrodi e separatori

a Prima dell'uso, i fogli di elettrodi e i separatori devono essere cotti;

b Se i fogli di elettrodi e i separatori non possono essere cotti prima del trattamento e dell'avvolgimento delle celle, le celle devono essere cotte prima dell'iniezione dell'elettrolita;

c Durante il processo di cottura degli elettrodi o delle celle, i parametri del forno (temperatura, tempo, vuoto) devono essere rigorosamente monitorati;

dLa temperatura e il vuoto del forno devono essere calibrati regolarmente per garantire la precisione.

 

(5) Test e controllo del contenuto di acqua

UN. Il contenuto di acqua dei fogli degli elettrodi, dei separatori (o delle celle) e dell'elettrolita deve essere testato e soddisfare gli standard prima dell'iniezione dell'elettrolita;

B. Metodo di prova: Campionamento secondo normativa; utilizzo del misuratore di umidità Karl Fischer per la misurazione;

C. Standard per il contenuto di acqua accettabile:

-- Contenuto d'acqua degli elettrodi ≦200 ppm (pre-controllo ≦150 ppm)

-- Contenuto d'acqua dei separatori ≦600 ppm

-- Contenuto di acqua dell'elettrolito ≦20 ppm

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