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)?？梢允褂寐饵c(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(jì)、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(jì)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(xiàng)，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(jiān)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(xiàng)。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。