リチウムイオン電池の製造工程では、塵埃、金属粉、水分の3点を厳しく管理する必要があります。粉塵や金属粉が適切に管理されていない場合、バッテリーの内部ショートや発火などの安全事故に直結します。湿気が効果的に管理されていない場合、バッテリーの性能に重大な悪影響を及ぼし、重大な品質事故につながる可能性があります。そのため、製造工程においては、電極、セパレータ、電解質などの主要材料の含水率を厳密に管理することが重要です。リラックスと絶え間ない警戒があってはなりません。
リチウム電池への水分の害、製造工程における水分の発生源、製造工程における水分の管理の3つの側面から詳しく解説します。

1. リチウム電池に対する湿気の害

(1) 電池の膨張と液漏れ: リチウムイオン電池に過剰な水分が存在すると、電解液中のリチウム塩と化学反応が起こり、HF が発生します。

H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF

フッ化水素酸 (HF) は腐食性の高い酸であり、バッテリーの性能に重大な損傷を与える可能性があります。

HF は金属部品、バッテリーシェル、バッテリー内のシールを腐食し、最終的に亀裂、破裂、漏れを引き起こします。

HF はまた、バッテリー内部の SEI (固体電解質界面) フィルムをその主成分と反応して破壊します。

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF

最終的に、LiF の沈殿物がバッテリー内で形成され、負極で不可逆的な化学反応が引き起こされ、活性リチウムイオンが消費され、バッテリーのエネルギー容量が低下します。

水分が十分にあるとガスが多く発生し、バッテリーの内圧が上昇します。これにより、変形、膨張、さらには漏れが発生し、安全上のリスクが生じる可能性があります。

市場の携帯電話やデジタル電子製品で発生するバッテリーの膨張やカバーの飛び出しの多くは、リチウム バッテリー内部の高い水分含有量とガスの発生が原因であることがよくあります。

 

(2) バッテリーの内部抵抗の増加:

バッテリーの内部抵抗は最も重要な性能パラメーターの 1 つであり、バッテリー内でのイオンと電子の移動の容易さを示す主な指標として機能します。これはバッテリーのサイクル寿命と動作状態に直接影響します。内部抵抗が低いほど、放電中の消費電圧が少なくなり、エネルギー出力が高くなります。

水分含有量の増加は、SEI フィルム (固体電解質界面) の表面に POF3 と LiF の沈殿物の形成を引き起こす可能性があります。これにより、SEI フィルムの密度と均一性が低下し、電池の内部抵抗が徐々に増加し、放電容量が減少します。

 

(3) サイクル寿命の短縮: 過剰な水分により SEI フィルムが損傷し、内部抵抗が徐々に増加し、放電容量が低下する可能性があります。時間の経過とともに、各フル充電後のバッテリーの使用可能時間は短くなり、通常の充放電サイクル数 (または寿命) が減少します。これは最終的に全体的なバッテリー寿命の短縮につながります。

2.リチウム電池製造時の水分発生源 

リチウム電池の製造プロセス中、湿気の発生源は次の側面に分類できます。 

(1) 原材料からの水分混入

ａ．正極活物質と負極活物質: 正極活物質と負極活物質はどちらもマイクロメートルまたはナノメートルスケールの粒子であり、空気中の水分を非常に吸収しやすいです。特に、ニッケル含有量が高い三元または二元カソード材料の場合、その比表面積が比較的大きいため、その表面が水分を吸収し、化学反応を起こしやすくなります。塗布された電極シートを高湿度の環境に保管すると、電極シートの塗布表面も空気中の水分を急速に吸収します。 

b.電解質: 電解質内の溶媒成分は水分子と反応し、電解質内のリチウム塩溶質も水分を吸収して化学反応を起こしやすいです。したがって、電解液中にはある程度の水分が存在します。電解液を長期間保存したり、高温で保存したりすると、電解液中の水分が増加します。 

c.セパレータ: セパレータは多孔質プラスチックフィルム (PP/PE 素材) であり、優れた吸水能力を持っています。 

(2) 電極シートのスラリー調製時に添加される水分

負極スラリーの調製では、塗工前に原料に水を加えて混合します。したがって、負極シート自体が水分を含んでいる。その後の塗工工程では加熱乾燥が行われますが、電極シートの塗工層内にはかなりの量の水分が吸着したままになります。 

(3) 作業環境の湿気

ａ．作業場の空気中の水分: 空気中の水分含有量は、通常、相対湿度によって測定されます。相対湿度は季節や気象条件によって大きく異なります。春と夏の間は空気の湿度が比較的高く（60％以上）、秋と冬は空気が乾燥して湿度が低くなります（40％以下）。空気の湿度は雨の日は高く、晴れの日は低くなります。したがって、空気中の水分量は湿度に応じて異なります。 

b.人が発生する水（汗、呼気、手洗い後の水）

c.さまざまな副資材や紙（カートン、雑巾、レポート）によって持ち込まれる水分 

リチウム電池製造時の水分管理

(1) 生産工場内の湿度管理を徹底

a スラリー混合のための電極製造作業場は、相対湿度 10% 以下に維持する必要があります。

b コーティング (マシンヘッド、テール) および圧延のための電極製造ワークショップは、露点湿度が ≦ -10℃ DP である必要があります。

c スリット用の電極製造ワークショップは、相対湿度 10% 以下に維持する必要があります。

d スタッキング、巻き取り、および組み立ての作業場は、露点湿度が -35℃ DP 以下である必要があります。

e バッテリーセルの電解液注入および封止プロセスでは、露点湿度が ≦-45℃ DP である必要があります。

(2) 人や外部環境によって作業場に持ち込まれる湿気の厳重な管理

a 運用規定の遵守:

-- 従業員は乾燥作業場に入る際、着替え、帽子をかぶり、靴を履き替え、マスクを着用しなければなりません。

-- 電極シートおよびバッテリーセルに素手で触れることは禁止されています。

b 副資材から持ち込まれる水分の管理：

-- 乾燥作業場への紙パックの持ち込みは固く禁止されています。

-- 乾燥エリアの紙の掲示物や看板はラミネート加工する必要があります。

-- 乾燥エリアでの床の水拭きは禁止です。

 

(3) 電極シートの保管および暴露時間の厳格な管理

a 低湿保管の管理：

-- 巻いてスリットした後の電極シートは、30 分以内に低湿度環境 (≦ -35℃ DP) で保管する必要があります。

-- 焼成後にすぐにセルに加工したり巻いたりできない電極シートは、真空下 (≦-95kpa) で保管する必要があります。

b 露光時間の管理：

-- 焼成後、電極シートは 72 時間以内に加工、巻き取り、梱包、電解液の充填、密封する必要があります (作業場の露点湿度 ≦ -35℃)。

c 先入れ先出し管理:

-- 電極シートの使用は先入れ先出し規則に従わなければなりません。つまり、初期のバッチが最初に使用されます。最初に焼いたものが最初に使用されます。

 

(4) 電極シートとセパレータの焼成工程の厳格な管理

a 使用前に、電極シートとセパレータをベーキングする必要があります。

b 電極シートとセパレーターをセルの加工と巻き取りの前にベーキングできない場合は、電解液注入前にセルをベーキングする必要があります。

c 電極シートまたはセルのベーキングプロセス中、オーブンのパラメーター (温度、時間、真空) を厳密に監視する必要があります。

dオーブンの温度と真空は、精度を確保するために定期的に校正する必要があります。

 

(5) 含水量の検査と管理

ａ．電極シート、セパレーター (またはセル)、および電解液の含水量は、電解液を注入する前に検査され、基準を満たしている必要があります。

b.試験方法：規定に基づくサンプリング。測定にはカールフィッシャー水分計を使用します。

c.許容可能な水分含有量の基準:

-- 電極シートの水分含有量 ≦ 200ppm (前管理 ≦ 150ppm)

-- セパレータの水分含有量 ≦600ppm

-- 電解液の水分含有量 ≦ 20ppm

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