A influência da umidade no processo de fabricação da bateria de lítio

Durante o processo de fabricação de baterias de íon-lítio, existem três itens cruciais que devem ser rigorosamente controlados: poeira, partículas metálicas e umidade. Se a poeira e as partículas metálicas não forem controladas adequadamente, isso levará diretamente a acidentes de segurança, como curtos-circuitos internos e incêndios na bateria. Se a umidade não for controlada de forma eficaz, também causará danos significativos ao desempenho da bateria e causará sérios acidentes de qualidade! Portanto, é crucial controlar rigorosamente o teor de água dos principais materiais, como eletrodos, separadores e eletrólitos, durante o processo de fabricação. Não deve haver relaxamento e vigilância constante!
A seguir está uma explicação detalhada de três aspectos: os danos da umidade às baterias de lítio, a fonte de umidade durante o processo de fabricação e o controle da umidade durante o processo de fabricação.

1. Os danos da umidade às baterias de lítio

(1) Inchaço e vazamento da bateria: Se houver umidade excessiva nas baterias de íon de lítio, ela reage quimicamente com o sal de lítio no eletrólito, gerando HF:

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

O ácido fluorídrico (HF) é um ácido altamente corrosivo que pode causar danos significativos ao desempenho da bateria:

O HF corrói os componentes metálicos, o invólucro da bateria e a vedação dentro da bateria, eventualmente causando rachaduras, rupturas e vazamentos.

O HF também destrói o filme SEI (Solid-Electrolyte-Interface) dentro da bateria, reagindo com seus componentes principais:

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

Eventualmente, o LiF precipita-se dentro da bateria, causando reações químicas irreversíveis no eletrodo negativo que consomem íons de lítio ativos, reduzindo assim a capacidade de energia da bateria.

Quando há umidade suficiente, mais gás é gerado, aumentando a pressão interna da bateria. Isso pode causar deformação, inchaço e até vazamento, representando um risco à segurança.

Muitos casos de inchaço da bateria e estouro da tampa encontrados em telefones celulares ou produtos eletrônicos digitais no mercado são frequentemente atribuídos ao alto teor de umidade e geração de gás dentro da bateria de lítio.

 

(2) Aumento da resistência interna da bateria:

A resistência interna da bateria é um dos parâmetros de desempenho mais críticos, servindo como um indicador primário da facilidade com que íons e elétrons podem viajar dentro da bateria. Afeta diretamente o ciclo de vida da bateria e o estado operacional. Uma resistência interna mais baixa significa que menos tensão é consumida durante a descarga, resultando em maior produção de energia.

Um aumento no teor de umidade pode levar à formação de precipitados de POF3 e LiF na superfície do filme SEI (Solid-Electrolyte-Interface). Isto degrada a densidade e uniformidade do filme SEI, aumentando gradativamente a resistência interna da bateria e diminuindo sua capacidade de descarga.

 

(3) Ciclo de vida reduzido: A umidade excessiva pode danificar o filme SEI, levando a um aumento gradual na resistência interna e a uma diminuição na capacidade de descarga. Com o tempo, o tempo útil da bateria após cada carga completa diminui e o número de ciclos normais de carga-descarga (ou vida útil) diminui. Em última análise, isso resulta em uma vida útil geral reduzida da bateria.

2.Fontes de umidade na produção de baterias de lítio 

Durante o processo de fabricação de baterias de lítio, as fontes de umidade podem ser categorizadas nos seguintes aspectos: 

(1) Umidade introduzida através de matérias-primas

a. Materiais positivos e negativos: Tanto os materiais ativos positivos quanto os negativos são partículas em escala micrométrica ou nanométrica, que são altamente suscetíveis à absorção de umidade do ar. Especialmente para materiais catódicos ternários ou binários com alto teor de níquel, sua área superficial específica é relativamente grande, tornando suas superfícies propensas a absorver umidade e sofrer reações químicas. Se as folhas de eletrodo revestidas forem armazenadas em um ambiente com alta umidade, a superfície de revestimento das folhas de eletrodo também absorverá rapidamente a umidade do ar. 

b. Eletrólito: O componente solvente no eletrólito reage com as moléculas de água, e o soluto de sal de lítio no eletrólito também é propenso a absorver umidade e sofrer reações químicas. Portanto, há uma certa quantidade de água no eletrólito. Se o eletrólito for armazenado por muito tempo ou em alta temperatura, o conteúdo de água dentro do eletrólito aumentará. 

c. Separador: O separador é um filme plástico poroso (material PP/PE), que possui significativa capacidade de absorção de água. 

(2) Umidade adicionada durante a preparação da pasta para folhas de eletrodos

Durante a preparação da pasta do eletrodo negativo, água é adicionada e misturada com as matérias-primas antes do revestimento. Portanto, a própria folha do eletrodo negativo contém água. Embora haja aquecimento e secagem durante o processo de revestimento subsequente, uma quantidade considerável de água permanece adsorvida dentro da camada de revestimento da folha de eletrodo. 

(3) Umidade no ambiente da oficina

a. Umidade no ar da oficina: O teor de umidade no ar é geralmente medido pela umidade relativa. A umidade relativa varia muito dependendo da estação e das condições climáticas. Durante a primavera e o verão, a umidade do ar é relativamente elevada (acima de 60%), enquanto no outono e inverno o ar é mais seco e com menor umidade (abaixo de 40%). A umidade do ar é maior em dias chuvosos e menor em dias ensolarados. Portanto, o teor de água no ar difere com base na umidade: 

b. Água gerada por humanos (suor, ar exalado, água após lavar as mãos)

c. Umidade trazida por vários materiais auxiliares e papéis (caixas, trapos, relatórios) 

Controle de umidade durante a produção de baterias de lítio

(1) Controle rigoroso da umidade na oficina de produção

a A oficina de produção de eletrodos para mistura de lama deve manter uma umidade relativa de ≦10%;

b A oficina de produção de eletrodos para revestimento (cabeça da máquina, cauda) e laminação deve ter uma umidade do ponto de orvalho de ≦-10°C DP;

c A oficina de produção de eletrodos para corte longitudinal deve manter umidade relativa ≦10%;

d As oficinas de empilhamento, enrolamento e montagem devem ter umidade do ponto de orvalho de ≦-35°C DP;

e Os processos de injeção de eletrólito e vedação para as células da bateria devem ter uma umidade do ponto de orvalho de ≦-45°C DP.

(2) Gestão rigorosa da umidade trazida para a oficina por humanos e pelo ambiente externo

a Conformidade com os regulamentos operacionais:

- Os colaboradores deverão trocar de roupa, usar chapéu, trocar de calçado e usar máscara ao entrar na oficina de secagem;

-- É proibido tocar nas folhas dos eletrodos e nas células da bateria com as mãos desprotegidas;

b Gestão da humidade trazida pelos materiais auxiliares:

-- É estritamente proibido trazer caixas para a oficina de secagem;

- Os cartazes e letreiros de papel na área de secagem deverão ser laminados;

-- É proibido passar pano no chão com água na área de secagem.

 

(3) Controle rigoroso do armazenamento e tempo de exposição das folhas de eletrodos

a Gestão do armazenamento com baixa umidade:

-- As chapas de eletrodo após laminação e corte devem ser armazenadas em ambiente de baixa umidade (≦-35°C DP) dentro de 30 minutos;

-- As folhas de eletrodo que não podem ser prontamente processadas em células ou enroladas após o cozimento devem ser armazenadas sob vácuo (≦-95kpa);

b Gestão do tempo de exposição:

-- Após o cozimento, as folhas de eletrodo devem ser processadas, enroladas, embaladas, preenchidas com eletrólito e seladas dentro de 72 horas (umidade do ponto de orvalho da oficina ≦-35°C);

c Gestão do tipo primeiro que entra, primeiro que sai:

- A utilização de lâminas de eletrodos deve seguir a regra do primeiro a entrar, primeiro a sair, ou seja, os lotes anteriores são utilizados primeiro; aqueles que são assados ​​primeiro são usados ​​primeiro.

 

(4) Controle rigoroso do processo de cozimento para folhas de eletrodos e separadores

a Antes do uso, as folhas de eletrodos e os separadores devem ser cozidos;

b Se as folhas de eletrodos e os separadores não puderem ser cozidos antes do processamento e enrolamento das células, as células deverão ser cozidas antes da injeção do eletrólito;

c Durante o processo de cozimento de placas ou células de eletrodos, os parâmetros do forno (temperatura, tempo, vácuo) devem ser rigorosamente monitorados;

dA temperatura e o vácuo do forno devem ser calibrados regularmente para garantir a precisão.

 

(5) Teste e controle do teor de água

a. O teor de água das folhas de eletrodos, separadores (ou células) e eletrólito deve ser testado e atender aos padrões antes da injeção do eletrólito;

b. Método de teste: Amostragem de acordo com regulamentos; usando o testador de umidade Karl Fischer para medição;

c. Padrões para teor de água aceitável:

-- Conteúdo de água das folhas de eletrodo ≦200ppm (pré-controle ≦150ppm)

-- Conteúdo de água dos separadores ≦600ppm

-- Conteúdo de água do eletrólito ≦20ppm

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