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锂电企业的粉尘、水分控制及预防

  志言质语   2021-04-20 次浏览

锂电池在完成装配的封口前最怕粉尘、金属杂质、水分。今天就谈谈锂电制造制造过程中的粉尘的管控及预防。所有影响产品质量的变异因素-5M1E中,环境的控制算是锂电行业中非常重要的一环。一般的公司内部都有环境控制工艺标准(含温湿度、粉尘), 大家肯定会说我们拿着粉尘测试仪(或离子计数器)按照标准在各车间定期进行监测,若OK则正常开线或开机,异常则及时反馈不就行了吗?说实在的,这只是探测的一种手段,还远远不够。

先普及一下一个两个重要的概念-洁净度和洁净室。洁净度是以单位体积的空气中大于等于某粒径粒子的数量来区分洁净程度,用pc/m3表示。一些企业也有叫做粒子浓度或粉尘浓度的;洁净室是指空气悬浮粒子浓度受控的房间。它的建造和使用应减少室内诱入、产生和滞留粒子。室内其它相关参数如温度、湿度和压力等按要求进行控制。一些大型的企业或后来成立的电芯厂也会将电芯装配端的企业做成洁净室或无尘房/车间。洁净室及相关控制环境国际标准(ISO14644)及国内的洁净室厂房设计规范(GB50073)都对洁净度等级进行了要求,参考图一。

注:按照不同的测量方法,各浓度等级水平的数据的有效数字不能超过3位。

洁净室要达到洁净等级,必须有综合措施,其中包括工艺布置、建筑平面、建筑构造、建筑装修、人员和物料净化、空气洁净措施、维护管理等。其中空气洁净措施是实现洁净等级的根本保证。具体空气洁净的相关措施参见洁净室厂房设计规范(GB50073)。

企业内部可以结合国际标准或国家标准等并参考自己的产品特性及应用领域选择合适的要求定义符合自己企业特点的控制标准。如0.5um的粉尘浓度采取洁净度6级,则对应的粉尘浓度不能超过35200pc/m3;若是同等级5um的粉尘浓度不能超过293pc/m3。

早期,大家都是依据经验或拍脑袋定义的粉尘控制要求。实际是有标准溯源的,如ISO14644、GB50073、GB50472等。另外,锂电行业在2019年11月份发布了GB51377(锂离子电池工厂设计标准)。

在锂电行业一个非常严格的标准IEEE1725里面,也对粉尘、杂质及污染预防及控制也提出了明确要求。一些条款诸如5.3.3 生产操作的洁净程度。在生产环境中,温度、湿度、杂质含量应该被详细说明,监视并控制。并且,材料的环境管理,无论在生产过程之前还是之后,都必须被详细说明并监控。应当防止生产设备引入金属污染;5.4.1.2 粉尘的收集。制造商应该有一个有效的办法来收集产生的所有粉尘。可以采用吸尘器,磁铁,或其他有效方法;5.4.4 防止污染。卷芯装配工艺应当防止污染物(比如灰尘,碎屑)被引入卷芯。若是企业要求做CTIA IEEE1725认证,则第三方机构的验厂人员对此这些条款较会重点审核。

记得早些年Sony验厂时,都明确了正/负极的车间的工衣要分开。测量仪器不能共用,如一个IPQC拿着粉尘测试仪进入了正极涂布车间测完后, 不能直接进入负极涂布车间,否则就是交叉污染;最好正/负极仪器设备及QC人员严格区分开来。其他如运载工具、设备工装夹具、周转的包装材料等等也是严格标识区分,防止交叉污染。

言归正传,那么在锂电生产车间该如何粉尘的预防和监控呢?

1)制定出合理的粉尘控制标准及监测方法。依据洁净室面积大小及工艺路线选好粉尘监测点及其数量、监测频率。

2)配料、涂布、压切、卷绕、装配车间都应配备风淋室,员工进出都应穿防尘服;二次更换工鞋和进出车间门口增加粘尘垫。

3)正负极粉料及浆料的除铁;分切、卷绕和滚槽设备要要有强力吸尘装置(注:这些金属颗粒/屑危害很大);封口前相关车间安装高效送风过滤网。

4)物料传输有专门的封闭式通道,或过渡窗、气闸室等。

5)不同等级的洁净室、洁净室与非洁净室或洁净室与室外之间均应保持一定的正压值。

6)车间机台定期维护保养、除尘;减少设备的故障率,及减少管道泄露/直排也是对降低粉尘浓度有很大帮助的;车间地面的定期清洁、吸尘。

7)生产物料进入车间前,外包装需要除尘处理后再进入车间。或在物料过渡间外除尘后拆出内包装后进入车间。

8)有些公司针对少数易产生粉尘的机器设备或工序增加防尘罩或防尘帘,以防止粉尘扩散。

9)车间使用的与电池物料、半成品、及成品密切接触的容器、工装夹具等的制作材料应不吸湿、不锈蚀/不氧化、不扩散污染物等。

10)垃圾桶及废料/边角料要及时放置于有盖子的容器中(如胶桶或胶框),防止粉尘扩散。

质量是设计出来的。若要真正做好有效的粉尘管控,锂电企业工厂设计规划时,相关人员都要充分考虑防尘的因素,就是要在厂房的规划及产品工艺路线设计阶段就要预先考虑。同时,电池制造过程中的粉尘、金属颗粒、杂质等的管控及预防也不能放松。


一、水分对锂离子电池的危害


因为锂离子电池主要有湿正极、负极、隔膜、电解液及外壳组成,其内部有着复杂的化学体系。水分对其性能及外观结构影响巨大,如造成电芯低容、低电压、高内阻、漏液、鼓胀、电芯尺寸超标、循环寿命差等等。因此。行业人士将其列入三大”天敌“之一。 其中水分对电池性能的影响,在公众号前期的相关文章里面也有作专题介绍。


二、水分的来源及产生


1)来料含有。如正/负极粉料、PVDF、电解液等;

2 ) 车间环境湿度不达标;

3)极片未烘干;

4)卷芯未烘干;

5)极片真空保存不当;

6)极片、卷芯、未封口的电芯在制程中操作时间长,暴露时间长;

7)人为携带引起(如拖地、湿布、雨天湿衣服/雨伞等)。


三、水分的控制及预防


我们即然知道水分的对产品的危害及其对质量的重要性,并识别出水分产生的来源。接下来就是水分的控制及预防了。

1)来料需要增加对水分的管控。有些公司在缺少检测仪器或设备的情况下,可以考虑增加对粉料的烘烤;其中电解液除了在IQC来料检验外,只要开启使用后,每次投产前最好检验水分含量及HF。

2)卷绕到注液车间需要有除湿系统。有些公司建造独立的干燥房作为注液车间,以确保1%的湿度或-38摄氏度至-50摄氏度的漏点温度。

3)正/负极片及卷芯进行烘烤;相关烘烤参数如烘烤时间、烘烤温度、真空度、氮气循环次数等必须经过DOE(实验设计)验证确保是合理的。

4)制定书面、文件化的电芯制作周转时间控制表予以对作业时间、周转时间予以规范及控制。

5)建议明确的车间管理制度,对清洁卫生、维护保养、进出车间、含有湿气水分的衣物等进行规范管理。

6)穿防化服、戴口罩、且不能裸手接触产品。

极片的水分含量随着湿度的增加和增加,说明湿度对水分的影响比较显著。

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