01. 리튬 배터리에 대한 습기의 피해
1. 배터리 부풀음 및 누액
리튬 이온 배터리의 수분 함량이 너무 많으면 전해질의 리튬염과 화학적으로 반응하여 HF를 생성합니다.
H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF
불화수소산(HF)은 배터리 성능을 매우 파괴하는 부식성이 강한 산입니다.
HF는 배터리 내부의 금속 부품, 배터리 쉘, 씰을 부식시켜 결국 배터리가 파손되거나 누출될 수 있습니다.
HF는 배터리 내부의 SEI 멤브레인(고체 전해질 인터페이스)을 손상시켜 SEI 멤브레인의 주요 구성 요소와 반응합니다.
ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF
Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF
마지막으로 배터리 내부에 LiF 침전이 생성되어 배터리 음극판의 리튬 이온이 돌이킬 수 없는 화학 반응을 일으키고 활성 리튬 이온이 소비되어 배터리 에너지가 감소합니다.
물이 충분하면 생성되는 가스가 더 많아지고 배터리 내부의 압력이 커져 배터리가 스트레스를 받고 변형되며 배터리 부풀어오르거나 누출 등의 위험이 있습니다.
시중에서 판매되는 휴대폰이나 디지털 전자 제품을 사용할 때 발생하는 배터리 부풀음 및 부트 커버 상황은 대부분 리튬 배터리의 높은 내부 습기 및 가스 발생 부풀음으로 인해 발생합니다.
2. 배터리의 내부 저항이 증가합니다.
배터리의 내부 저항은 배터리의 가장 중요한 성능 매개변수 중 하나이며, 배터리 내부의 이온 및 전자 전달의 어려움을 측정하는 주요 신호이며, 이는 배터리의 사이클 수명과 작동 상태에 직접적인 영향을 미칩니다. 내부 저항이 작을수록 방전 시 배터리가 차지하는 전압이 적어지고 에너지 출력이 높아집니다.
수분 함량이 증가하면 배터리 SEI 필름(고체-전해질 계면) 표면에 POF3 및 LiF 석출이 발생하여 SEI 필름의 밀도와 균일성이 손상되어 배터리 내부 저항이 점차 증가하고 배터리 방전 용량이 지속적으로 감소합니다.
3. 사이클 수명 단축
수분 함량이 너무 높아 배터리 SEI 필름이 파괴되고 내부 저항이 점차 증가하며 배터리 방전 용량이 점점 작아지고 배터리 사용 후 배터리가 완전히 충전될 때마다 배터리 수명도 점점 짧아집니다. 배터리는 일반적으로 충전에 사용할 수 있지만 방전 횟수(주기)가 자연스럽게 줄어들고 배터리 사용 시간(수명)이 단축됩니다.
02. 리튬 배터리 생산에 사용되는 물 공급원
리튬 배터리 제조 과정에서 물의 공급원은 다음과 같은 측면으로 나눌 수 있습니다.
1. 원료가 가져온 물
1.1 양극 및 음극 재료: 양극 및 음극 활성 물질은 미크론 및 나노 입자로 공기 중의 물을 쉽게 흡수할 수 있습니다. 특히, 니(니켈) 함량이 높은 삼원계 또는 이원계 음극재는 비표면적이 크고, 재료 표면이 물을 흡수하고 반응하기 쉽습니다. 코팅 후 보관 환경의 습도가 높으면 폴 필름의 표면 코팅도 공기 중의 수분을 빠르게 흡수합니다.
1.2 전해질: 전해질의 용매 성분은 물 분자와 화학적으로 반응합니다. 전해질의 용질 리튬염은 물을 흡수하기 쉽고 화학 반응을 일으키기도 합니다. 따라서 전기분해에는 일정량의 물이 있을 것입니다. 전해질 보관 시간이 너무 길거나 보관 환경 온도가 너무 높으면 전해질의 수분 함량이 증가합니다.
1.3 분리막: 분리막은 다공성 플라스틱 필름(PP/체육 소재)으로 수분 흡수율도 매우 높습니다.
2. 전극 펄프화에 물을 첨가함
네거티브 펄프화는 물을 첨가하여 원료와 섞은 후 코팅하므로 네거티브 시트 자체가 물입니다. 후속 코팅 공정에서는 가열과 건조가 이루어지지만 여전히 전극 시트 코팅 내부에 상당량의 수분이 흡착되어 있습니다.
3. 작업장 환경 수분
3.1 작업장 공기 중 수분 공기 중 수분은 일반적으로 상대 습도로 측정됩니다. 상대습도는 계절과 날씨에 따라 크게 달라집니다. 봄과 여름의 공기 습도는 상대적으로 크고(60% 이상), 가을과 겨울의 공기는 상대적으로 건조하고 습도는 상대적으로 작습니다(40% 미만). 공기 습도는 비오는 날에는 높아지고 맑은 날에는 낮아집니다. 따라서 공기 습도가 다르면 공기 중 수분 함량도 다릅니다.
3.2 인체에서 생성되는 물(사람의 땀, 호기, 손을 씻은 후의 물)
3.3 각종 부자재 및 종이(상자, 헝겊, 보고서)에 의해 유입되는 수분
03. 리튬 배터리 생산 공정의 수분 관리
1. 생산 작업장의 환경 습도를 엄격하게 제어합니다.
1.1 전극 생산 작업장에서 균질화 교반, 상대 습도는 10% 이하입니다.
1.2 전극 생산 작업장에서 코팅(머리, 꼬리), 롤 이슬점 습도 ≤ -10℃DP;
1.3 전극 생산 작업장 절단, 상대 습도 ≤ 10%;
1.4 라미네이팅, 와인딩, 조립 작업장, 이슬점 습도 ≤-35℃ DP
1.5. 배터리 주입, 밀봉, 이슬점 습도 ≤ -45℃ DP.
2. 작업장으로 유입되는 인체 및 외부 습기를 엄격히 통제합니다.
2.1 운영 준수 관리 :
-- 건조 작업장에 들어갈 때는 옷을 갈아입고, 모자를 쓰고, 신발을 갈아입고, 마스크를 착용해야 합니다.
-- 맨손으로 전극 시트와 전기 셀을 만지는 것은 금지되어 있습니다.
2.2 보조재료의 수분관리:
- 상자를 건조 작업장에 가져가는 것은 엄격히 금지되어 있습니다.
-- 건조실의 종이 게시판과 식별판은 플라스틱으로 밀봉되어야 합니다.
-- 건조실에서는 바닥을 물로 닦는 것이 금지되어 있습니다.
3. 전극시트의 보관 및 노출시간을 엄격히 관리한다.
3.1 저습도 보관 관리:
-- 압연 및 절단된 전극 시트는 30분 이내에 저습도 환경에서 보관해야 합니다.(-35℃ DP 이하)
-- 구운 전극 시트와 만들어지지 않은 전극 시트는 보관을 위해 진공 청소기로 청소해야 합니다(-95kpa).
3.2 노출 시간 관리:
-- 베이킹, 생산, 와인딩, 포장, 액체 주입, 밀봉 후 72시간 이내에 완료되어야 합니다. (작업장 이슬점 습도 ≤ -35℃)
3.3 선입선출 관리:
-- 전극 시트의 사용은 선입선출 규정을 따라야 합니다. 즉, 배치는 이전에 사용됩니다. 먼저 굽고, 먼저 사용하세요.
4. 전극 시트 및 분리막의 베이킹 공정을 엄격하게 제어합니다.
4.1 사용하기 전에 전극 시트와 분리기는 사용하기 전에 구워야 합니다.
4.2 생산 및 권선 전에 전극 시트와 분리막을 구울 수 없는 경우, 액체 주입 전에 셀을 구워야 합니다.
4.3 전극 시트 또는 배터리 셀을 굽는 과정에서 오븐 매개변수(온도, 시간, 진공도)를 엄격하게 모니터링해야 합니다.
4.4 정확성을 보장하기 위해 오븐 온도와 진공도를 정기적으로 점검해야 합니다.
5. 수분 함량 테스트 및 제어
5.1 전극 시트, 분리기(또는 배터리), 전해질은 액체 주입에 적합한 수분 함량을 테스트해야 합니다.
5.2 시험 방법: 규정에 따라 샘플링; 칼 피셔 수분 시험기를 사용하여 측정합니다.
5.3 수분 함량 자격 기준:
- 전극판 수분 함량 ≤200ppm (사전 제어 ≤150ppm)
- 분리기 수분 함량 ≤600ppm
- 전해질 수분 함량 ≤20ppm
정리하면, 리튬전지 제조공정에서는 환경습도의 수분조절, 전극의 보관 및 노출시간, 전극과 분리막의 소성과정, 전해액의 유효기간, 수분함량 시험 및 다른 측면도 필수적입니다. 제어가 불가능해지면 배치 배터리 성능에 치명적인 결함이 발생하고 그 결과는 매우 심각합니다!
따라서 관리 인력, 생산 인력, 품질 검사 인력 등 배터리 물 관리에 대한 인식을 강화하기 위해 항상 프로세스 규정을 엄격히 준수하여 배터리 물이 통제되고 자격을 갖춘 상태인지 확인하세요!
