La influencia de la humedad en el proceso de fabricación de baterías de litio.

Durante el proceso de fabricación de baterías de iones de litio, hay tres elementos cruciales que deben controlarse estrictamente: el polvo, las partículas metálicas y la humedad. Si el polvo y las partículas metálicas no se controlan adecuadamente, se producirán directamente accidentes de seguridad, como cortocircuitos internos e incendios en la batería. Si la humedad no se controla eficazmente, también causará daños importantes al rendimiento de la batería y provocará graves accidentes de calidad. Por lo tanto, es fundamental controlar estrictamente el contenido de agua de los materiales principales, como electrodos, separadores y electrolitos, durante el proceso de fabricación. ¡No debe haber relajación y vigilancia constante!
La siguiente es una explicación detallada de tres aspectos: el daño de la humedad a las baterías de litio, la fuente de humedad durante el proceso de fabricación y el control de la humedad durante el proceso de fabricación.

1. El daño de la humedad a las baterías de litio.

(1) Hinchazón y fugas de la batería: si hay humedad excesiva en las baterías de iones de litio, reacciona químicamente con la sal de litio del electrolito, generando HF:

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

El ácido fluorhídrico (HF) es un ácido altamente corrosivo que puede causar daños importantes al rendimiento de la batería:

El HF corroe los componentes metálicos, la carcasa de la batería y el sellado dentro de la batería, lo que eventualmente provoca grietas, rupturas y fugas.

El HF también destruye la película SEI (Solid-Electrolyte-Interface) dentro de la batería al reaccionar con sus componentes principales:

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

Con el tiempo, el LiF se precipita dentro de la batería, provocando reacciones químicas irreversibles en el electrodo negativo que consumen iones de litio activos, reduciendo así la capacidad energética de la batería.

Cuando hay suficiente cantidad de humedad, se genera más gas, aumentando la presión interna de la batería. Esto puede provocar deformación, hinchazón e incluso fugas, lo que supone un riesgo para la seguridad.

Muchos casos de hinchazón de la batería y rotura de la tapa que se encuentran en teléfonos móviles o productos electrónicos digitales en el mercado a menudo se atribuyen al alto contenido de humedad y a la generación de gas dentro de la batería de litio.

 

(2) Mayor resistencia interna de la batería:

La resistencia interna de la batería es uno de los parámetros de rendimiento más críticos y sirve como indicador principal de la facilidad con la que los iones y electrones pueden viajar dentro de la batería. Afecta directamente la vida útil y el estado operativo de la batería. Una resistencia interna más baja significa que se consume menos voltaje durante la descarga, lo que resulta en una mayor producción de energía.

Un aumento del contenido de humedad puede provocar la formación de precipitados de POF3 y LiF en la superficie de la película SEI (Solid-Electrolyte-Interface). Esto degrada la densidad y uniformidad de la película SEI, aumentando gradualmente la resistencia interna de la batería y disminuyendo su capacidad de descarga.

 

(3) Ciclo de vida más corto: la humedad excesiva puede dañar la película SEI, lo que provoca un aumento gradual de la resistencia interna y una disminución de la capacidad de descarga. Con el tiempo, el tiempo útil de la batería después de cada carga completa se acorta y el número de ciclos normales de carga y descarga (o vida útil) disminuye. En última instancia, esto da como resultado una vida útil general más corta de la batería.

2.Fuentes de humedad en la producción de baterías de litio. 

Durante el proceso de fabricación de baterías de litio, las fuentes de humedad se pueden clasificar en los siguientes aspectos: 

(1) Humedad introducida a través de las materias primas.

a. Materiales positivos y negativos: Tanto los materiales activos positivos como los negativos son partículas en la escala micrométrica o nanométrica, que son altamente susceptibles a absorber la humedad del aire. Especialmente para materiales de cátodos ternarios o binarios con alto contenido de níquel, su área de superficie específica es relativamente grande, lo que hace que sus superficies sean propensas a absorber humedad y sufrir reacciones químicas. Si las láminas de electrodos recubiertas se almacenan en un ambiente con alta humedad, la superficie de revestimiento de las láminas de electrodos también absorberá rápidamente la humedad del aire. 

b. Electrolito: el componente disolvente del electrolito reacciona con las moléculas de agua y el soluto de sal de litio del electrolito también es propenso a absorber humedad y sufrir reacciones químicas. Por lo tanto, hay una cierta cantidad de agua en el electrolito. Si el electrolito se almacena durante demasiado tiempo o a alta temperatura, el contenido de agua dentro del electrolito aumentará. 

C. Separador: El separador es una película plástica porosa (material PP/PE), que tiene una importante capacidad de absorción de agua. 

(2) Humedad agregada durante la preparación de la suspensión para láminas de electrodos

Durante la preparación de la suspensión del electrodo negativo, se agrega agua y se mezcla con las materias primas antes del recubrimiento. Por lo tanto, la propia lámina del electrodo negativo contiene agua. Aunque se produce calentamiento y secado durante el proceso de recubrimiento posterior, una cantidad considerable de agua permanece adsorbida dentro de la capa de recubrimiento de la lámina de electrodo. 

(3) Humedad en el ambiente del taller.

a. Humedad en el aire del taller: El contenido de humedad en el aire generalmente se mide mediante la humedad relativa. La humedad relativa varía mucho según la estación y las condiciones climáticas. Durante la primavera y el verano, la humedad del aire es relativamente alta (por encima del 60%), mientras que en otoño e invierno, el aire es más seco y con una humedad más baja (por debajo del 40%). La humedad del aire es mayor en los días lluviosos y menor en los días soleados. Por tanto, el contenido de agua en el aire difiere según la humedad: 

b. Agua generada por humanos (sudor, aliento exhalado, agua después de lavarse las manos)

C. Humedad aportada por diversos materiales auxiliares y papeles (cartones, trapos, informes) 

Control de la humedad durante la producción de baterías de litio.

(1) Control estricto de la humedad en el taller de producción.

a El taller de producción de electrodos para mezcla de lodos debe mantener una humedad relativa de ≦10%;

b El taller de producción de electrodos para recubrimiento (cabeza de máquina, cola) y laminado debe tener una humedad de punto de rocío de ≦-10 ℃ DP;

c El taller de producción de electrodos para corte debe mantener una humedad relativa de ≦10%;

d Los talleres de apilamiento, bobinado y montaje deben tener una humedad de punto de rocío de ≦-35 ℃ DP;

e Los procesos de inyección y sellado de electrolitos para las celdas de la batería deben tener una humedad de punto de rocío de ≦ -45 ℃ DP.

(2) Gestión estricta de la humedad traída al taller por los humanos y el ambiente exterior.

a Cumplimiento de las normas operativas:

-- Los empleados deben cambiarse de ropa, usar sombreros, cambiarse de zapatos y usar máscaras al ingresar al taller de secado;

-- Está prohibido tocar las láminas de los electrodos y las celdas de la batería con las manos desnudas;

b Gestión de la humedad aportada por los materiales auxiliares:

-- Está estrictamente prohibido introducir cajas de cartón en el taller de secado;

-- Los carteles y carteles de papel en el área de secado deberán estar plastificados;

-- Está prohibido fregar el suelo con agua en la zona de secado.

 

(3) Control estricto del tiempo de almacenamiento y exposición de las láminas de electrodos.

a Gestión del almacenamiento con baja humedad:

-- Las láminas de electrodos después de enrollarlas y cortarlas deben almacenarse en un ambiente con baja humedad (≦-35 ℃ DP) en un plazo de 30 minutos;

-- Las láminas de electrodos que no puedan procesarse rápidamente en celdas o enrollarse después del horneado deben almacenarse al vacío (≦-95 kpa);

b Gestión del tiempo de exposición:

-- Después del horneado, las láminas de electrodos deben procesarse, enrollarse, empaquetarse, llenarse con electrolito y sellarse dentro de las 72 horas (humedad del punto de rocío del taller ≦-35 ℃);

c Gestión de primero en entrar, primero en salir:

-- El uso de láminas de electrodos debe seguir la regla de primero en entrar, primero en salir, es decir, los lotes anteriores se utilizan primero; los que se hornean primero se usan primero.

 

(4) Control estricto del proceso de horneado de láminas de electrodos y separadores.

a Antes de su uso, las láminas de electrodos y los separadores deben hornearse;

b Si las láminas de electrodos y los separadores no se pueden hornear antes del procesamiento y bobinado de las celdas, las celdas deben hornearse antes de la inyección del electrolito;

c Durante el proceso de horneado de láminas o celdas de electrodos, se deben controlar estrictamente los parámetros del horno (temperatura, tiempo, vacío);

dLa temperatura y el vacío del horno deben calibrarse periódicamente para garantizar la precisión.

 

(5) Prueba y control del contenido de agua.

a. El contenido de agua de las láminas de electrodos, separadores (o celdas) y electrolitos debe probarse y cumplir con los estándares antes de la inyección del electrolito;

b. Método de prueba: Muestreo según normativa; utilizando el medidor de humedad Karl Fischer para medir;

C. Estándares para el contenido de agua aceptable:

-- Contenido de agua de las láminas de electrodos ≦200 ppm (control previo ≦150 ppm)

-- Contenido de agua de los separadores ≦600 ppm

-- Contenido de agua del electrolito ≦20 ppm

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