通過鋰電濕度傳感器等智能測量優(yōu)化鋰離子電池的制造工藝

監(jiān)測鋰離子電池制造過程中的濕度

鋰離子電池在制造過程中對濕度十分敏感。這一具有挑戰(zhàn)性的生產(chǎn)環(huán)境要求濕度探測儀表性能可靠并且對可能在此過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品具有較強(qiáng)的抵抗性。

出于以下三個原因，干燥空氣管理在鋰離子 (Li-ion) 電池制造過程中至關(guān)重要。

首先，為了防止發(fā)生可能導(dǎo)致失火和爆炸之類危險的意外化學(xué)反應(yīng)；

第二，為了防止出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題；

第三，為了在控制與干燥大量氣體相關(guān)聯(lián)的工藝中節(jié)約成本。

鋰離子電池制造過程是在干燥室或手套箱中執(zhí)行的，其中，必須對本地微環(huán)境進(jìn)行控制，以便保持理想的生產(chǎn)條件。處理環(huán)境的典型露點(diǎn)溫度范圍是從 -50 °C到 -40 °C。使用露點(diǎn)來表示此級別下的水蒸汽濃度，因?yàn)橄鄳?yīng)的相對濕度值低于1%。對于用于測量相對濕度的大多數(shù)儀表來說，即使它們能夠?qū)@示和輸出值轉(zhuǎn)換為露點(diǎn)溫度，在此級別也缺乏有意義的測量所需的分辨率和精度。例如，在露點(diǎn)溫度為 -50 °C 時，升高 5 °C 達(dá)到 -45°C 表示相應(yīng)的相對濕度變化僅為 0.1% –這是很難與其他干擾信息區(qū)分開來的值。

露點(diǎn)傳感器的理想位置

可以通過多種不同的方式使用露點(diǎn)儀表來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。可以使用露點(diǎn)測量來監(jiān)測和控制實(shí)際的干燥機(jī)。在某些情況下，可以通過實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)需求切換，提高干燥機(jī)性能并且降低能耗。露點(diǎn)儀表還可以安裝在供氣管線上每個過程的入口，可以采用直接安裝的方式，也可以通過使用采樣單元或球閥進(jìn)行安裝。這些儀表可以快速發(fā)現(xiàn)問題，并且?guī)椭_定問題是小范圍問題還是更為普遍化的問題。最后，露點(diǎn)儀表可以安裝在一般的工作區(qū)域，并且可用作環(huán)境監(jiān)視器。

污染問題

露點(diǎn)傳感器可能會由于從過程中使用的電解質(zhì)蒸發(fā)而生成的化學(xué)物，在生產(chǎn)環(huán)境中受到污染。典型鋰離子電池中的液態(tài)電解質(zhì)可由有機(jī)溶劑中的鋰鹽構(gòu)成，例如 LiPF6、LiBF4 或 LiClO4 – 通常為碳酸亞乙酯 (EC)、碳酸二甲酯 (DMC)或碳酸甲乙酯 (MEC)。所有這些溶劑都可能會損壞露點(diǎn)傳感器。如果電解質(zhì)為 LiPF6，則它將以 Li+ 和 PF6

- 離子的形式存在。與環(huán)境中 H2O 產(chǎn)生的反應(yīng)將創(chuàng)建氟化氫 (HF) 酸。這是一種會腐蝕電池端子之間隔離膜的強(qiáng)酸，增加了短路和失火的風(fēng)險。它還可能會導(dǎo)致露點(diǎn)傳感器的性能降級。所面臨的挑戰(zhàn)對于不同電池構(gòu)造來說是類似的。

針對露點(diǎn)測量的解決方案

用于露點(diǎn)測量的通用解決方案包括冷鏡濕度計、氧化鋁或硅傳感器以及聚合物水分傳感器。每種解決方案都各有優(yōu)缺點(diǎn)。

冷鏡濕度計使用光學(xué)反射來檢測反 射面（鏡面）上的冷凝 溫 度 。這 些設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室條件下非常精確，但在采樣氣體包含將進(jìn)入溶液且在鏡面上會發(fā)生冷凝的溶劑時，易受到稱作拉烏爾 (Raoult) 效應(yīng)的測量誤差的影響。強(qiáng)酸或強(qiáng)堿也可能損壞鏡面。

氧化鋁和氧化硅傳感器可測量極低的露點(diǎn)溫度。應(yīng)該謹(jǐn)慎監(jiān)測這些設(shè)備的校準(zhǔn)，因?yàn)闀斐蓚鞲衅鞅旧沓掷m(xù)氧化的

任何氣體都將導(dǎo)致測量值中的漂移。

聚合物傳感器可以規(guī)劃為耐受多種不同的化學(xué)污染物。但遺憾的是，大多數(shù)聚合物傳感器只是在一定百分比的相對濕度范圍下起作用，因此不適合在相應(yīng)露點(diǎn)值低于 -20 °C 時使用。

在鋰離子電池制造中用于露點(diǎn)測量的維薩拉解決方案

維薩拉提供一種具有化學(xué)抗性的聚合物露點(diǎn)傳感器，可通過主動操作獲得長期可靠性，而且測量偏差很小。

維薩拉 DRYCAP ® 傳感器使用自動校準(zhǔn)功能來監(jiān)測傳感器精度和必要的調(diào)整。該自動校準(zhǔn)過程基于對傳感器短暫加熱以及觀測測量的相對 濕度中的變化（與溫度物理相關(guān)）。如果該變化并非預(yù)期的變化，則算法將校正傳感器的靈敏度，因此保持干燥測量條件的精度，而這至關(guān)重要。

DRYCAP® 傳感器的另一個重要功能是清除功能。在鋰離子制造中，嚴(yán)苛的化學(xué)條件將導(dǎo)致污染物（主要是來自使用的溶劑的碳?xì)浠衔铮U(kuò)散進(jìn)入傳感器聚合物中。傳感器污染可能導(dǎo)致靈敏度中不可逆的變化，而這最終無法通過校準(zhǔn)來進(jìn)行補(bǔ)償，并且導(dǎo)致傳感器故障。

該清除功能短暫對傳感器進(jìn)行加熱，以便從聚合物中去除易失性污染物。該功能可以手動啟動或自動啟動，并且可以對清除間隔進(jìn)行調(diào)整以適合操作環(huán)境。

維薩拉露點(diǎn)測量產(chǎn)品系列包括針對與鋰離子電池制造相關(guān)測量的若干選項，產(chǎn)品涵蓋從適合設(shè)備制造商的小巧的緊湊型變送器到具有不同選件和附件的堅固的行業(yè)現(xiàn)場儀表，并且這些產(chǎn)品都提供針對輸出和安裝的不同選項。通過與手持式設(shè)備兼容，可以輕松地執(zhí)行現(xiàn)場抽檢和校準(zhǔn)驗(yàn)證。