Lors du processus de fabrication des batteries lithium-ion, trois éléments cruciaux doivent être strictement contrôlés : la poussière, les particules métalliques et l’humidité. Si la poussière et les particules métalliques ne sont pas correctement contrôlées, cela entraînera directement des accidents de sécurité tels que des courts-circuits internes et des incendies dans la batterie. Si l’humidité n’est pas contrôlée efficacement, cela nuira également considérablement aux performances de la batterie et entraînera de graves accidents de qualité ! Il est donc crucial de contrôler strictement la teneur en eau des principaux matériaux tels que les électrodes, les séparateurs et les électrolytes pendant le processus de fabrication. Il ne faut pas de relâchement et une vigilance constante !
Ce qui suit est une explication détaillée de trois aspects : les dommages causés par l'humidité aux batteries au lithium, la source d'humidité pendant le processus de fabrication et le contrôle de l'humidité pendant le processus de fabrication.

1. Les méfaits de l’humidité sur les batteries au lithium

(1) Gonflement et fuite de la batterie : s'il y a une humidité excessive dans les batteries lithium-ion, elle réagit chimiquement avec le sel de lithium présent dans l'électrolyte, générant du HF :

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

L'acide fluorhydrique (HF) est un acide hautement corrosif qui peut causer des dommages importants aux performances de la batterie :

Le HF corrode les composants métalliques, la coque de la batterie et les joints de la batterie, entraînant éventuellement des fissures, des ruptures et des fuites.

HF détruit également le film SEI (Solid-Electrolyte-Interface) à l’intérieur de la batterie en réagissant avec ses principaux composants :

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

Finalement, du LiF se forme à l'intérieur de la batterie, provoquant des réactions chimiques irréversibles dans l'électrode négative qui consomment des ions lithium actifs, réduisant ainsi la capacité énergétique de la batterie.

Lorsqu’il y a une quantité suffisante d’humidité, davantage de gaz est généré, augmentant ainsi la pression interne de la batterie. Cela peut entraîner une déformation, un gonflement et même des fuites, ce qui présente un risque pour la sécurité.

De nombreux cas de gonflement de la batterie et d'éclatement du couvercle rencontrés dans les téléphones mobiles ou les produits électroniques numériques sur le marché sont souvent attribués à une teneur élevée en humidité et à la génération de gaz à l'intérieur de la batterie au lithium.

 

(2) Augmentation de la résistance interne de la batterie :

La résistance interne de la batterie est l’un des paramètres de performance les plus critiques, servant d’indicateur principal de la facilité avec laquelle les ions et les électrons peuvent voyager dans la batterie. Cela affecte directement la durée de vie et l’état de fonctionnement de la batterie. Une résistance interne plus faible signifie que moins de tension est consommée pendant la décharge, ce qui entraîne une production d'énergie plus élevée.

Une augmentation du taux d'humidité peut conduire à la formation de précipités POF3 et LiF à la surface du film SEI (Solid-Electrolyte-Interface). Cela dégrade la densité et l'uniformité du film SEI, augmentant progressivement la résistance interne de la batterie et diminuant sa capacité de décharge.

 

(3) Durée de vie raccourcie : une humidité excessive peut endommager le film SEI, entraînant une augmentation progressive de la résistance interne et une diminution de la capacité de décharge. Au fil du temps, la durée d'utilisation de la batterie après chaque charge complète diminue et le nombre de cycles de charge-décharge normaux (ou durée de vie) diminue. Cela se traduit finalement par une durée de vie globale de la batterie raccourcie.

2.Sources d'humidité dans la production de batteries au lithium 

Au cours du processus de fabrication des batteries au lithium, les sources d’humidité peuvent être classées selon les aspects suivants : 

(1) Humidité introduite par les matières premières

un. Matériaux positifs et négatifs : Les matériaux actifs positifs et négatifs sont des particules à l’échelle micrométrique ou nanométrique, très susceptibles d’absorber l’humidité de l’air. En particulier pour les matériaux cathodiques ternaires ou binaires à haute teneur en nickel, leur surface spécifique est relativement grande, ce qui rend leurs surfaces sujettes à l'absorption d'humidité et à des réactions chimiques. Si les feuilles d'électrodes revêtues sont stockées dans un environnement très humide, la surface de revêtement des feuilles d'électrodes absorbera également rapidement l'humidité de l'air. 

b. Électrolyte : le composant solvant de l'électrolyte réagit avec les molécules d'eau et le soluté de sel de lithium dans l'électrolyte est également susceptible d'absorber l'humidité et de subir des réactions chimiques. Par conséquent, il y a une certaine quantité d’eau dans l’électrolyte. Si l'électrolyte est stocké trop longtemps ou stocké à une température élevée, la teneur en eau dans l'électrolyte augmentera. 

c. Séparateur : Le séparateur est un film plastique poreux (matériau PP/PE), qui a une capacité d'absorption d'eau importante. 

(2) Humidité ajoutée lors de la préparation de la boue pour les feuilles d'électrodes

Lors de la préparation de la suspension d'électrode négative, de l'eau est ajoutée et mélangée aux matières premières avant le revêtement. Par conséquent, la feuille d’électrode négative elle-même contient de l’eau. Bien qu'il y ait chauffage et séchage pendant le processus de revêtement ultérieur, une quantité considérable d'eau reste adsorbée dans la couche de revêtement de la feuille d'électrode. 

(3) Humidité dans l'environnement de l'atelier

un. Humidité de l'air de l'atelier : La teneur en humidité de l'air est généralement mesurée par l'humidité relative. L'humidité relative varie considérablement selon la saison et les conditions météorologiques. Au printemps et en été, l'humidité de l'air est relativement élevée (supérieure à 60 %), tandis qu'en automne et en hiver, l'air est plus sec avec une humidité plus faible (inférieure à 40 %). L’humidité de l’air est plus élevée les jours de pluie et plus faible les jours ensoleillés. Ainsi, la teneur en eau de l’air diffère en fonction de l’humidité : 

b. Eau générée par l'homme (sueur, haleine expirée, eau après s'être lavé les mains)

c. Humidité apportée par divers matériaux auxiliaires et papiers (cartons, chiffons, rapports) 

Contrôle de l'humidité lors de la production de batteries au lithium

(1) Contrôle strict de l’humidité dans l’atelier de production

a L'atelier de production d'électrodes pour le mélange des boues doit maintenir une humidité relative de ≦10 % ;

b L'atelier de production d'électrodes pour le revêtement (tête de machine, queue) et le laminage doit avoir un point de rosée humidité de ≦-10 ℃ DP ;

c L'atelier de production d'électrodes pour le refendage doit maintenir une humidité relative ≦10 % ;

d Les ateliers d'empilage, d'enroulement et d'assemblage doivent avoir un point de rosée d'humidité de ≦-35℃ DP ;

e Les processus d'injection d'électrolyte et de scellement des cellules de la batterie doivent avoir un point de rosée d'humidité de ≦-45 ℃ DP.

(2) Gestion stricte de l'humidité apportée dans l'atelier par l'homme et l'environnement extérieur

a Respect des règles d'exploitation :

-- Les salariés doivent se changer, porter des chapeaux, changer de chaussures et porter des masques en entrant dans l'atelier de séchage ;

-- Il est interdit de toucher les feuilles d'électrodes et les cellules de batterie à mains nues ;

b Gestion de l'humidité apportée par les matériaux auxiliaires :

-- Il est strictement interdit d'introduire des cartons dans l'atelier de séchage ;

-- Les affichages papier et les panneaux dans l'aire de séchage doivent être plastifiés ;

-- Il est interdit de passer la serpillière avec de l'eau dans l'aire de séchage.

 

(3) Contrôle strict du temps de stockage et d'exposition des feuilles d'électrodes

a Gestion du stockage à faible humidité :

-- Les feuilles d'électrodes après laminage et refendage doivent être stockées dans un environnement à faible humidité (≦-35℃ DP) dans les 30 minutes ;

-- Les feuilles d'électrodes qui ne peuvent pas être rapidement transformées en cellules ou enroulées après la cuisson doivent être stockées sous vide (≦-95 kpa) ;

b Gestion du temps de pose :

-- Après la cuisson, les feuilles d'électrodes doivent être traitées, enroulées, emballées, remplies d'électrolyte et scellées dans les 72 heures (humidité du point de rosée en atelier ≦-35℃) ;

c Gestion premier entré, premier sorti :

-- L'utilisation des feuilles d'électrodes doit suivre la règle du premier entré, premier sorti, c'est-à-dire que les lots les plus anciens sont utilisés en premier ; ceux qui sont cuits en premier sont utilisés en premier.

 

(4) Contrôle strict du processus de cuisson des feuilles d'électrodes et des séparateurs

a Avant utilisation, les feuilles d'électrodes et les séparateurs doivent être cuits ;

b Si les feuilles d'électrodes et les séparateurs ne peuvent pas être cuits avant le traitement et le bobinage des cellules, les cellules doivent être cuites avant l'injection d'électrolyte ;

c Lors du processus de cuisson des feuilles ou des cellules électrodes, les paramètres du four (température, durée, vide) doivent être strictement surveillés ;

dLa température et le vide du four doivent être régulièrement calibrés pour garantir leur précision.

 

(5) Test et contrôle de la teneur en eau

un. La teneur en eau des feuilles d'électrodes, des séparateurs (ou cellules) et de l'électrolyte doit être testée et répondre aux normes avant l'injection de l'électrolyte ;

b. Méthode de test : Échantillonnage conforme à la réglementation ; en utilisant un testeur d'humidité Karl Fischer pour la mesure ;

c. Normes de teneur en eau acceptable :

-- Teneur en eau des feuilles d'électrodes ≦200 ppm (pré-contrôle ≦150 ppm)

-- Teneur en eau des séparateurs ≦600ppm

-- Teneur en eau de l'électrolyte ≦20 ppm

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