隨著這兩年電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對鋰離子電池，特別是動力鋰離子電池的品質要求有了顯著提高，而對電池行性能有明顯影響的鋰電制程水分控制水平要求更加嚴格。本文從水分對鋰離子電池的影響以及制程中的處置來進行闡述

鋰離子電池內部是一個較為復雜的化學體系，這些化學系統(tǒng)的反應過程及結果都與水分密切相關。而水分的失控或粗化控制，導致電池中水分的超標存在，不但能導致電解質鋰鹽的分解，而且對正負極材料的成膜和穩(wěn)定性出現惡劣影響，導致鋰離子電池的電化學特性，諸如容量、內阻、產品特性都會出現較為明顯的惡化。

前面提到的膜，即固體電解質界面(Solid-ElectrolyteInterface，簡稱SEI)膜，是一層選擇性透過膜，能使Li+自由透過，而電解液分子不能透過。電解液的組成和痕量的添加劑對SEI膜形成的電位、致密程度、電池不可逆容量損失、電池內阻等有顯著的影響。水作為電解液中一種痕量組分，對鋰離子電池SEI膜的形成和電池性能有一定的影響。重要表現為電池容量變小，放電時間變短，內阻增大，循環(huán)容量衰減，電池膨脹等現象，因此，在鋰離子電池的制作過程中，必須嚴格控制環(huán)境的濕度和正負極材料、電解液的含水量。

說到SEI膜，可能行業(yè)外朋友還是沒有直觀的印象SEI膜到底是什么？請看上圖兩張SEM圖片的比較，應該會有一個直觀感覺，其中（a）是原始電極材料，（b）是一個循環(huán)后的電極材料?？闯霾顒e來了嗎？

水分對放電容量的影響

電池首次放電容量隨電池中水分的新增而減小。在鋰源恒定的條件下，電池首次放電容量的變化重要由2個重要因素制約。

1、SEI膜的形成消耗部分Li+，造成不可逆容量損失，單電子還原過程生成的烷基碳酸鋰還可以與電解液中的痕量水發(fā)生反應，2ROCO2Li+H2O→Li2CO3+CO2+2ROH，當生成CO2后，在低電位下的負極表面，有新的化學反應發(fā)生2CO2+2Li++2e→Li2CO3+CO。

2、SEI膜形成以后，在仍然有H2O存在的條件下，H2O會促使電解液中LiPF6的分解，使電池放電時間縮短，反應如下

水分對鋰離子電池內阻的影響

隨著電池水分的新增，內阻呈上升的趨勢。出現電池內阻差異的重要因素有如下2個方面。

1、SEI膜的差異導致電池內阻的差異。在電解液溶劑體系中，痕量的水能夠形成以Li2CO3為主、穩(wěn)定性好、均勻致密的SEI膜，其內阻較小。

2、水分含量多于體系形成SEI膜的所需含量時，在SEI膜表面生成POF3和LiF沉淀，導致電池內阻新增。

水分對電池循環(huán)容量衰減的影響

電池容量衰減隨水分含量新增而逐漸減小。這與SEI膜的致密程度和均勻性有關。當SEI膜均勻致密時，電解液溶劑不易嵌入到負極中，占據Li+嵌入空位，因此容量衰減很少。與此相反，當SEI膜的局部不致密、不均勻時，Li+嵌入空位被電解液溶劑占據相對較容易。Li2C03是形成均勻致密SEI膜最重要的組分，電解液溶劑體系中，當水分含量過量時，會導致SEI膜的局部不致密、不均勻，因此容量衰減新增。

電池會膨脹重要是因為SEI膜生成后水的存在使LiPF6分解生成HF氣體。

二、電池制程中的水分引入

先了解一下鋰電的生產過程：

水分來源基本上分為以下幾個來源：

1、車間水分來源。

a、空氣中的水分，一般用相對濕度來衡量。在不同溫度和天氣，有很大的差別，在夏天的雨天可以達到90%，冬天的雪天則30%左右，在夏天的晴天50%左右，冬天的晴天則20%左右。

b、人體出現的水分

c、物料所帶的水分

包裝材料（特別紙箱）、紙巾和碎布之類清潔輔料含水量都很高

d、設備設施滲水

2、電池的水分來源

a、正負極材料

正負極活性物質大都是微米或納米級顆粒，極易吸收空氣中水分潮解。正極材料PH值大都偏大，特別是含Ni量高的三元或二元材料，其比表面積亦偏大，材料表面上極易吸收水分并反應。

b、電解液

電解液的溶劑結構中均存在電負性較大的羰基以及亞穩(wěn)定的雙鍵，容易與極性H2O分子用途形成絡合體或反應生成相應的醇，而且溫度越高，反應越快。而且電解液的溶質鋰鹽也容易吸水并與水反應。

c、隔膜

隔膜紙也是一種多孔性的塑料薄膜，其吸水性也是很大的。由于水分一般不會與隔膜發(fā)生化學反應，通過烘烤也可以基本消除，因此，隔膜一般很少進行嚴格水分控制。

三、制程水分控制

根據以上內容，材料中的水分含量是電芯中水分的重要來源之一，而且環(huán)境濕度越大，電池材料越容易吸收空氣中的水分。反之，環(huán)境濕度控制越好，電池材料吸收空氣中水分的能力越有限。目前有一種鋰離子電池生產車間的建議濕度控制階梯為（僅供參考，濕度控制根據各電池公司實際情況來進行操作）：

相對濕度≦30%車間（如攪拌、涂布機頭、機尾等）

相對濕度≦20%車間（如輥壓、制片、烘烤等）

相對濕度≦10%車間（如疊片、卷繞、裝配等）

露點溫度≦-45℃車間（如電芯烘烤、注液、封口等）

即使按照以上濕度梯度控制，也要控制工序的停留時間。

在輥壓制片車間，雖然經此車間后電池仍需烘烤，但不這不是說烘烤前的極片可以隨便放置。在原來的公司還未做到制片卷繞一體自動化的時候（當時還是手機電池，應該是8年前了吧，忘了，反正好長時間），有做過相關實驗，極片（尤其是正極片）吸水后，長時間烘烤，仍然不能恢復到吸水前重量，極片材料內部會有頑固殘留。因此，在此車間，暴露時間最好也是要控制的，盡量不要結存或者有真空干燥氣氛緩存。

在電芯組裝（疊片/卷繞、極芯裝配等）車間:

在此車間，所有的重要原材料，如：正極片、負極片、隔膜、電池結構件等都暴露在這個車間一段時間，所以，此段是電池材料吸水的重要場所，而且，停留時間越長，吸的水分就越多，因此，在這個車間，應該保證產品呆在這個車間的時間越短越好。

在激光焊車間（此指采用方形鋁殼的電芯，其他類型入軟包、圓柱等沒有此工序，但為說明情況，便以此種類型為例）

在此車間，因為電池在這個階段還沒有封口，所以也要控制電池在這個車間等待的時間，保證電池的水分含量足夠小。

在車間中轉走廊(約30～90%，隨天氣而變)

車間走廊一般是沒有控制濕度的，假如電池等待在這個區(qū)域，那么它的吸水成都將是最大的，所以，要100%防止未封口的電池和材料暴露在這個區(qū)域。

在烘烤房車間，濕度控制更為重要的，之所以說重要是，因為電池吸收到的所有水分，都必須通過這個工序烘烤出來。假如烘烤不出來，那么，前面所有提到的問題都會在產品表現出來。烘烤后的電池必須在最短的時間內轉進注液房，否則，電池將會吸水很嚴重

目前很多廠在電芯烘烤后到注液車間采用人工操作中轉的模式，如下圖

由于過程中采用人工操作中轉，極有可能會造成不同批次的人為的二次水分污染。假如要嚴格控制水分的話，則全程都要干燥房，能耗較大，公司投入成本大增；或者有些公司采用干燥中轉小車，但還是存在一些問題。而且人工周轉時間較長，不可控因素較多，同時也要投入人力成本（現在的人力成本很貴的，不是過去的時候了）。

注液車間，做鋰電的人都深知，這是是濕度應該最嚴格控制的房間，露點要控制在-45℃以下，甚至更為干燥。假如達不到這個要求，前面所有的控制都會失敗，電池會重新吸收水分，電解液在注液過程中也會吸收水分，前功盡棄。

根據以上，在電芯烘烤之前的工序，能做到自動化最好，這樣能夠盡量縮短極芯在車間環(huán)境中的暴露時間，如實在不能做到自動化，還請盡量控制WIP及結存時間和結存環(huán)境，防止過程中吸入超標水分。而在注液車間，鋰電公司都已十分注意此處濕度露點的控制，就不必多說了。

重點在電芯烘烤到注液，這是很多廠家忽視或不想多投入的地方，從而導致水分的引入，使前序工序的工作大打折扣。

目前有一種方法可以防止人為周轉帶來水分引入的不可控，即隧道式真空干燥方式（以時代高科設備為例）

此方法一般分為三段，即如上圖所示的預熱段、真空干燥段以及降溫段，在預熱段和降溫段和外界有物料進出的區(qū)域，還會存在氮氣置換過程，防止外界水分的引入。預熱段是將電芯物料溫度提高到烘烤溫度，然后再進入真空干燥階段。在真空干燥階段要保持高溫度均勻度、高真空度及低露點的環(huán)境，確保電芯物料中的水分能夠充分揮發(fā)出來。

另外，這個過程的上下工序都為自動化銜接，實現動態(tài)真空作業(yè)，從而實現自動化、持續(xù)性、低能耗的大規(guī)模生產，這是之前人工周轉所不能達到的。

據了解，目前新能源行業(yè)的領頭羊比亞迪已經擁有十多條自動化真空干燥產線，取代傳統(tǒng)的注液前電芯烘烤方式。這也是值得鋰電行業(yè)的其他公司考慮跟進的一點。