리튬이온 배터리 제조 과정에서 엄격하게 관리해야 하는 세 가지 중요한 항목은 먼지, 금속 입자, 습기입니다. 먼지와 금속조각을 제대로 관리하지 않으면 배터리 내부 합선, 화재 등 안전사고로 직결됩니다. 습기를 효과적으로 관리하지 않으면 배터리 성능에 심각한 해를 끼치고 심각한 품질 사고로 이어질 수도 있습니다! 따라서 제조 과정에서 전극, 분리막, 전해질 등 주요 소재의 수분 함량을 엄격하게 관리하는 것이 중요합니다. 휴식과 끊임없는 경계가 있어서는 안됩니다!
다음은 리튬 배터리에 대한 수분의 유해성, 제조 과정 중 수분의 출처, 제조 과정 중 수분 관리라는 세 가지 측면에서 자세히 설명합니다.

1. 리튬 배터리에 대한 습기의 피해

(1) 배터리 부풀음 및 누액: 리튬 이온 배터리에 수분이 너무 많으면 전해질 내의 리튬염과 화학적으로 반응하여 HF를 생성합니다.

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

불화수소산(HF)은 배터리 성능에 심각한 손상을 초래할 수 있는 부식성이 강한 산입니다.

HF는 금속 부품, 배터리 쉘, 배터리 내부 밀봉재를 부식시켜 결국 균열, 파열, 누출을 유발합니다.

HF는 또한 주요 구성 요소와 반응하여 배터리 내부의 SEI(고체 전해질 계면) 필름을 파괴합니다.

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

결국, 배터리 내부에 LiF 침전물이 형성되어 음극에서 돌이킬 수 없는 화학 반응을 일으켜 활성 리튬 이온을 소모하게 되어 배터리의 에너지 용량이 감소하게 됩니다.

수분이 충분하면 더 많은 가스가 발생하여 배터리 내부 압력이 높아집니다. 이로 인해 변형, 부기, 심지어 누출이 발생하여 안전 위험이 발생할 수 있습니다.

시중에 판매되는 휴대폰이나 디지털 전자제품에서 배터리 부풀음이나 커버 터짐 현상이 많이 발생하는 이유는 리튬 배터리 내부의 높은 수분 함량과 가스 발생 때문인 경우가 많습니다.

 

(2) 배터리 내부 저항 증가:

배터리 내부 저항은 가장 중요한 성능 매개변수 중 하나이며, 배터리 내에서 이온과 전자가 쉽게 이동할 수 있는지를 나타내는 주요 지표 역할을 합니다. 이는 배터리의 수명과 작동 상태에 직접적인 영향을 미칩니다. 내부 저항이 낮을수록 방전 중에 소비되는 전압이 적어 에너지 출력이 높아집니다.

수분 함량이 증가하면 SEI 필름 표면에 POF3 및 LiF 침전물이 형성될 수 있습니다(고체-전해질-계면). 이로 인해 SEI 필름의 밀도와 균일성이 저하되어 배터리 내부 저항이 점차 증가하고 방전 용량이 감소합니다.

 

(3) 사이클 수명 단축: 과도한 수분은 SEI 필름을 손상시켜 내부 저항이 점차 증가하고 방전 용량이 감소할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 완전히 충전할 때마다 배터리를 사용할 수 있는 시간이 줄어들고 정상적인 충전-방전 주기 횟수(또는 수명)가 감소합니다. 이는 결국 전체 배터리 수명을 단축시키는 결과를 낳습니다.

2.리튬 배터리 생산 시 수분 공급원 

리튬 배터리 제조 과정에서 수분 공급원은 다음과 같은 측면으로 분류될 수 있습니다. 

(1) 원료를 통해 유입되는 수분

ㅏ. 양극 및 음극 물질: 양극 및 음극 활성 물질은 모두 마이크로미터 또는 나노미터 규모의 입자로, 공기 중 수분을 흡수하는 데 매우 취약합니다. 특히 니켈 함량이 높은 삼원계 또는 이원계 양극재의 경우 비표면적이 상대적으로 커서 표면이 수분을 흡수하고 화학 반응을 일으키기 쉽습니다. 코팅된 전극 시트를 습도가 높은 환경에 보관하면 전극 시트의 코팅 표면도 공기 중 수분을 빠르게 흡수합니다. 

비. 전해질: 전해질의 용매 성분은 물 분자와 반응하며, 전해질의 리튬염 용질도 수분을 흡수하여 화학 반응을 일으키기 쉽습니다. 따라서 전해질에는 일정량의 수분 함량이 있습니다. 전해질을 너무 오랫동안 보관하거나 고온에서 보관하면 전해질 내의 수분 함량이 증가합니다. 

씨. 분리막: 분리막은 다공성 플라스틱 필름(PP/PE 소재)으로 수분 흡수 능력이 뛰어납니다. 

(2) 전극 시트용 슬러리 제조 시 첨가되는 수분

음극슬러리 제조시 물을 첨가하고 원료와 혼합한 후 코팅한다. 따라서 음극 시트 자체에는 물이 포함되어 있다. 이후의 코팅 공정에서 가열과 건조가 이루어지지만, 전극 시트의 코팅층 내부에는 상당한 양의 수분이 흡착되어 남아 있습니다. 

(3) 작업장 환경의 수분

ㅏ. 작업장 공기 중 수분: 공기 중 수분 함량은 일반적으로 상대 습도로 측정됩니다. 상대습도는 계절과 기상조건에 따라 크게 달라집니다. 봄과 여름에는 공기 습도가 상대적으로 높으며(60% 이상), 가을과 겨울에는 습도가 낮고(40% 미만) 공기가 더 건조합니다. 공기 습도는 비오는 날에는 높아지고 맑은 날에는 낮아집니다. 따라서 공기 중의 수분 함량은 습도에 따라 달라집니다. 

비. 인간이 생성한 물(땀, 내쉬는 숨, 손을 씻은 후의 물)

씨. 각종 부자재 및 종이(상자, 헝겊, 보고서 등)에서 유입되는 수분 

리튬 배터리 생산 중 수분 제어

(1) 생산 작업장의 습도를 엄격하게 관리합니다.

a 슬러리 혼합을 위한 전극 생산 작업장은 상대 습도를 10% 이하로 유지해야 합니다.

b 코팅(머신 헤드, 테일) 및 압연을 위한 전극 생산 작업장의 이슬점 습도는 ≤-10℃ DP이어야 합니다.

c 슬리팅을 위한 전극 생산 작업장은 상대 습도를 10% 이하로 유지해야 합니다.

d 스태킹, 와인딩 및 조립 작업장의 이슬점 습도는 DF -35℃ 이하이어야 합니다.

e 배터리 셀의 전해액 주입 및 밀봉 공정은 이슬점 습도가 -45℃ DP 이하이어야 합니다.

(2) 사람과 외부환경에 의해 작업장 내로 유입되는 수분에 대한 철저한 관리

a 운영 규정 준수:

-- 직원은 건조 작업장에 들어갈 때 옷을 갈아입고, 모자를 쓰고, 신발을 갈아입고, 마스크를 착용해야 합니다.

-- 맨손으로 전극 시트와 배터리 셀을 만지는 것은 금지되어 있습니다.

b 보조재료에 의해 유입되는 수분 관리:

-- 건조 작업장에 상자를 가져오는 것은 엄격히 금지되어 있습니다.

- 건조 구역의 종이 게시물과 간판은 반드시 합판으로 부착되어야 합니다.

-- 건조 구역에서는 물로 바닥을 닦는 것이 금지되어 있습니다.

 

(3) 전극 시트의 보관 및 노출 시간에 대한 엄격한 관리

a 저습도 보관 관리:

-- 롤링 및 슬리팅 후 전극 시트는 30분 이내에 저습도 환경(-35℃ DP 이하)에 보관해야 합니다.

-- 즉시 셀로 가공할 수 없거나 베이킹 후 감길 수 없는 전극 시트는 진공 상태(-95kpa 이하)에 보관해야 합니다.

b 노출 시간 관리:

-- 베이킹 후 전극 시트는 72시간 이내에 가공, 권취, 포장, 전해질 충전 및 밀봉되어야 합니다(작업장 이슬점 습도 ≤-35℃).

c 선입선출 관리:

-- 전극 시트의 사용은 선입선출 규칙을 따라야 합니다. 즉, 이전 배치가 먼저 사용됩니다. 먼저 구운 것이 먼저 사용됩니다.

 

(4) 전극 시트 및 분리막의 베이킹 공정에 대한 엄격한 관리

a 사용하기 전에 전극 시트와 분리막을 구워야 합니다.

b 전극 시트와 분리막을 셀 처리 및 권취 전에 베이킹할 수 없는 경우 전해질 주입 전에 셀을 베이킹해야 합니다.

c 전극 시트 또는 셀을 베이킹하는 동안 오븐 매개변수(온도, 시간, 진공)를 엄격하게 모니터링해야 합니다.

d정확성을 보장하기 위해 오븐 온도와 진공도를 정기적으로 보정해야 합니다.

 

(5) 수분 함량 테스트 및 제어

ㅏ. 전극 시트, 분리막(또는 셀) 및 전해질의 수분 함량은 전해질 주입 전에 테스트되고 표준을 충족해야 합니다.

비. 테스트 방법: 규정에 따라 샘플링; 측정을 위해 Karl Fischer 수분 시험기를 사용하는 단계;

씨. 허용되는 수분 함량에 대한 표준:

-- 전극 시트의 수분 함량 200ppm (사전 제어 150ppm)

- 분리기의 수분 함량 ≤600ppm

- 전해질의 수분 함량 20ppm

---

이메일 : tob.amy@tobmachine.com

스카이프:amywangbest86

Whatsapp/전화 번호: +86 181 2071 5609