洁净度如何影响动力电池性能？
全球对交通运输电气化的推动以及随之而来的电动汽车市场的增长，使其关键材料的稀缺性和成本成为人们关注的焦点。电动汽车电池行业面临着实现最高工艺产量和最佳性能的压力，污染已被认为是导致缺陷和性能下降的主要原因。
在许多高科技制造过程中，即使在洁净室/受控环境中进行加工，离子和颗粒污染也是工艺产量的主要问题。这是因为加工材料会产生污染物。需要在制造过程的关键阶段去除它们，以尽量减少对成品的影响。
电荷转移机制-电池性能的关键
在最基本的层面上，电池是一个由四个组件组成的电化学电路，两个电极，一个将电极分开的分离器和含有离子的电解质，这些离子根据电池是充电还是放电而从一个电极迁移到另一个电极(图1)。然后将几个电池堆叠在一起，形成一个完整的电池。电池的性能是由电荷转移机制决定的，电荷转移机制是指离子可以从一个电极迁移到另一个电极的数量和迁移速度。
与污染相关的缺陷
在电池制造过程中有几种类型的污染。金属或绝缘的粒子是最常见的。这些颗粒可以由正在加工的电池材料产生，如切割箔，由操作员或环境本身产生。
制造商报告的最普遍的污染物类型是金属和氧化物颗粒，如铬、铁、镍和钴，所有这些都是在加工过程中产生的。
研究表明，大多数颗粒均匀分布在50微米范围内，超过2%的电极表面积被大约400多个颗粒污染(图4)。
金属颗粒是活性物质，可以产生自放电或其他法拉第反应，特别是在阴极。此外，它们相当坚硬，众所周知，当电极和分离器在组装过程中压在一起时，颗粒穿过分离器使两个电极电接触，会产生短路。这些颗粒会导致电池短路，导致热跑道，也被称为“火焰排气”(图5)和随后的爆炸或火灾。一个小的短路只会导致自放电加剧，从而影响电池性能。由于放电能量很低，所以产生的热量很少。
如果足够多的微观金属颗粒汇聚在一点上，由于局部电阻率的变化，将有相当大的电流流向颗粒的区域。这会导致温度升高，导致热失控，钴阴极的锂离子电池不应该超过130°C(265°F)。在150°C(302°F)时，电池变得热不稳定，在这种情况下燃烧的气体被排出。
电池生产中的污染控制
在评估了整个卷对卷(R2R)生产过程中与污染相关的缺陷风险后(图6)，有必要确定一种合适的技术来消除颗粒和离子污染。由于电池制造过程的各种敏感性，可用的清洁技术是有限的。
空气中含有的水分禁止使用空气清洁系统，如空气刀。即使是真空系统也会将空气吸过材料表面，从而增加离子污染的风险。被困在刷式清洁刷内的颗粒会损坏敏感材料，导致电池性能下降。电池制造中常用的清洗技术称为“接触清洗”。在这项技术中，特殊配方的弹性体滚轮与待清洁表面接触，捡起松散的颗粒。为了确保弹性体滚轮始终保持清洁，它们与压敏胶滚轮接触，该滚轮永久捕获污染物颗粒，使弹性体滚轮完全清洁，以避免接触敏感表面时再次污染。
日本一家公司在不同粒径下测试的各种技术的清洗效率如图7所示。数据显示，在电池制造中，接触清洁是最有效和理想的污染去除方法，弹性体清洁辊甚至可以去除亚微米颗粒而不会刮伤。
电池极片生产
电极制造步骤是污染的主要风险区域，因为它包含许多潜在的污染物，如分切和切割箔的颗粒，以及辊的金属碎片。在电极制造的所有阶段进行清洗，对产量和性能都有显著的好处。例如，在电极制造过程中进行清洁可以减少高达40%的自放电缺陷，使电池的使用寿命更长。每个电极中有两个主要部件，即集流箔和活性材料层(图8)。集流箔用于收集所有电荷并将其转移到电池中或从电池中转移出去。然后是活性物质层，它提供电荷传递系统的化学功能。
阴极的活性材料是一层多孔的金属氧化物涂层，涂在8到18微米厚的铜箔或铝箔上。阳极通常是一层10微米的铜箔，上面涂有碳基活性材料，碳基活性材料是一种填充导电颗粒的树脂，用于电荷转移机制的具体设计。基极集电极箔经常被处理以提高涂层的附着力，在最近的发展中，铜箔也被微结构，以提高电解质可以填充到每个电池的速度，并提高电解质对电极的润湿性能。
涂布前的清洗是电池生产中的一个重要步骤。金属箔的切割会产生末端锋利的细屑颗粒，极有可能穿透隔膜并造成短路。涂漆前必须除去这些屑。颗粒污染也会引起电极的脱湿和电荷转移特性的变化。清洁阳极和阴极的原始箔应该始终进行。图9显示了Teknek双面卷筒纸清洁器在集热器箔上的效果。
将活性材料基体应用于集电极箔的最常用方法是采用R2R涂层。各种涂布方法可用于槽模，柔印和凹印是最常见的。如图10和11所示，对活性基体镀层进行图案涂覆，使电池具有导电区域，同时在电池两侧留出未涂覆区域，用于将电池焊接在一起。活性基体涂层操作会产生各种缺陷(图12)。
电池隔膜生产
传统的隔膜是聚合物基薄膜，厚度为20-25μm。薄膜是微孔的，允许锂基液体电解质中的离子通过。堵塞隔膜中的孔隙会破坏电荷传递系统，从而导致充电容量和电池可承受的充放电循环次数减少，从而缩短电池寿命。
另一种电池结构，聚合物电池，使用凝胶作为隔膜，也形成电解质。由于凝胶的柔软性，这种类型的结构对金属颗粒污染特别敏感。最近的电池发展使用具有可控结构的陶瓷膜作为隔膜或作为隔膜和电解质的组合。这种陶瓷降低了被金属颗粒刺穿而造成短路的风险。在整个电池单元结构中控制孔隙度是性能的关键。被污染堵塞的孔隙会导致严重的缺陷，在此过程中应清洁隔膜的两侧。
电池组装
有两种主要的组装工艺，一种是使用薄片形式的电极，另一种是使用称为Z折叠的网状形式的电极，然后电极被横切成图15中的片状，或者网状被Z折叠。在随后的操作中，将阳极和阴极片与分离片组装成堆栈。
为了提高性能，在堆叠、缠绕、交错或层压之前，电极和隔膜都应进行清洁。在Z型折叠组装过程中，电极和隔膜材料的清洁是接触式清洁最常见的应用之一，卷筒机自动清洁材料的两侧。
电池生产设备
最后要考虑的是工艺设备本身。输送辊可以从环境和与箔接触的微滑移中拾取污染。这种污染可以转移到电极的背面，在随后的过程中造成缺陷。如果压延辊上有污染颗粒，它们会将颗粒的形状印入涂层中，减少活性基体的厚度和孔隙度，而槽模工艺中的背辊会在集电极箔上造成印痕。所有这些缺陷都将导致电荷传递机制的变化，因此应定期清洁滚筒。
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