彭 昂,丁建武
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鋰錳電池制造過程中的除濕工藝設(shè)計(jì)
彭 昂,丁建武
(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064)
基于鋰錳電池制造過程中的除濕工藝需求及合理的除濕系統(tǒng)配置,以實(shí)例對(duì)電池制作過程中的除濕工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,達(dá)到生產(chǎn)環(huán)境需求,為除濕設(shè)備選型提供有力的理論依據(jù)。
鋰錳電池 除濕工藝 設(shè)計(jì)計(jì)算
鋰錳電池是鋰/二氧化錳電池的簡(jiǎn)稱,其正極活性物質(zhì)是二氧化錳,負(fù)極為電池級(jí)金屬鋰,是一種典型的有機(jī)電解質(zhì)電池。鋰錳一次電池與其他一次電池相比,具有比能量高、比功率大、工作溫度范圍寬和低溫性能好等優(yōu)勢(shì)。
水分的失控或粗化控制,導(dǎo)致電池中水分的超標(biāo),破壞電池性能,極易產(chǎn)生鼓氣、內(nèi)部微短路、電性能下降、壽命縮短等問題。不僅會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)鋰鹽的分解,而且對(duì)正負(fù)極材料的成膜和穩(wěn)定性產(chǎn)生惡劣影響,導(dǎo)致鋰電池的電化學(xué)特性產(chǎn)生較為明顯的惡化。因此,生產(chǎn)工序含水量的控制對(duì)鋰電池的安全和性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。對(duì)于鋰錳電池,由于負(fù)極為金屬鋰,活性極高,遇水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng),電芯組裝制作全工序更應(yīng)采用深度除濕保證空氣的相對(duì)濕度小于1%,露點(diǎn)濕度小于-45℃。在非常干燥的條件下,極大地降低了極片和電解液的吸水幾率。
轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的蜂巢式除濕轉(zhuǎn)輪采用陶瓷纖維為基材,把吸附劑硅膠均勻長(zhǎng)在基材上,使其具有極強(qiáng)的吸濕能力,濕空氣通過蜂巢式除濕轉(zhuǎn)輪中的吸濕劑后成為超低露點(diǎn)的空氣。
根據(jù)鋰電池生產(chǎn)工藝,該車間需要嚴(yán)格控制空氣濕度的區(qū)域?yàn)楦稍锓亢褪痔紫?,具體空氣環(huán)境參數(shù)見表1。根據(jù)工藝要求,干燥房和手套箱共用一套超低露點(diǎn)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組。
表1 鋰電池生產(chǎn)車間工藝要求
2.1.1送風(fēng)量設(shè)計(jì)
1)手套箱送風(fēng)量:對(duì)于超低露點(diǎn)干燥環(huán)境的手套箱,按照換氣次數(shù)60次/h[1,2]計(jì)算送風(fēng)量,可計(jì)算手套箱送風(fēng)量為:
2)干燥房送風(fēng)量:
干燥房產(chǎn)濕量計(jì)算公式為:
1為干燥房要求含濕量,露點(diǎn)濕度為-45℃空氣含濕量為0.0432 g/kg;
2為干燥房送風(fēng)含濕量,露點(diǎn)濕度為-65℃空氣含濕量為0.003 g/kg;
干燥房產(chǎn)濕量:
式中:1為干燥房員工數(shù)量,人;
1為一名員工輕度勞動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)濕量,取65g/h;
計(jì)算得干燥房產(chǎn)濕量為:
=2×65+0.5×25+33×2.2=215.1 g/h (4)
根據(jù)公式(2)(4)可計(jì)算干燥房送風(fēng)量為:
= 4460 m3/h (5)
由于該車間工藝要求較高,所以,系統(tǒng)干燥房送風(fēng)量整體考慮取5000 m3/h。
因此,總送風(fēng)量為
2.1.2新風(fēng)量設(shè)計(jì)
由于手套箱內(nèi)含有腐蝕性氣體(電解液揮發(fā)物),會(huì)腐蝕轉(zhuǎn)輪,因此手套箱采用全排風(fēng)方式。
因此,新風(fēng)量為
2.1.3除濕系統(tǒng)運(yùn)行流程及各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)
根據(jù)上述計(jì)算,配置1套組合式超低露點(diǎn)除濕機(jī)組,送風(fēng)量為5800 m3/h,空氣除濕處理系統(tǒng)流程為:室外新風(fēng)(A)經(jīng)過初級(jí)過濾后進(jìn)入新風(fēng)表冷器進(jìn)行一級(jí)冷凍除濕,得到低溫飽和濕空氣(B),經(jīng)一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕至狀態(tài)C,再與干燥房回風(fēng)(K)混合至狀態(tài)D,經(jīng)二級(jí)過濾和前表冷后至狀態(tài)E,干燥空氣E的一部分(F)用于轉(zhuǎn)輪再生,另一部分經(jīng)二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)后至狀態(tài)G,通過后表冷加熱器加熱后送至干燥房和手套箱進(jìn)行熱濕交換,干燥房全回風(fēng)K再與狀態(tài)C新風(fēng)混合循環(huán)處理。
以上系統(tǒng)各點(diǎn)空氣狀態(tài)參數(shù)見表2,處理空氣熱濕過程線見圖1,氣流路徑見圖2。
干燥房產(chǎn)濕量1:
表2 空氣狀態(tài)參數(shù)
注:轉(zhuǎn)輪參數(shù)采用優(yōu)利美轉(zhuǎn)輪除濕公司提供的資料。
圖1 空氣處理熱濕過程線圖
圖2 除濕機(jī)組空氣處理流程圖
人員產(chǎn)濕量人:20℃溫度時(shí),人員輕度勞動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)濕量為(60-80 g/h.人)[2],人=65 g/h/人×2人=130 g/h。
進(jìn)出產(chǎn)濕量進(jìn):進(jìn)出次數(shù)按照2 h/次,每次帶入濕度20~25 g/h,進(jìn)=12.5 g/h
房間散濕量房:低濕干燥間濕負(fù)荷按2.0~2.5 g/h/m3計(jì)算產(chǎn)濕量計(jì)算,房=2.2 g/h/m3×33 m3=72.6 g/h
因此,1=人+進(jìn)+房=130+12.5+72.6=215.1 g/h
干燥間除濕能力2:干燥間除濕能力為干燥間送風(fēng)和回風(fēng)濕度差,即
=5000×1.2×(0.0432-0.003)=241 g/h
根據(jù)上述計(jì)算可知,2>1,說明該設(shè)備除濕能力能夠滿足干燥間除濕要求,余量設(shè)計(jì)風(fēng)量用于滿足操作工人的新風(fēng)量(20-50 m3/h.人)和維持房間正壓需求(5-10 Pa),保證干燥系統(tǒng)的濕度梯度。
3.2手套箱除濕設(shè)計(jì)能力核算
手套箱產(chǎn)濕量3:低濕干燥間濕負(fù)荷按2.0~2.5 g/h/m3計(jì)算產(chǎn)濕量計(jì)算
3=2.2 g/h/m3×14m3=30.8 g/h
手套箱除濕能力4:手套箱除濕能力為手套箱送風(fēng)和回風(fēng)濕度差,即
=800×1.2×(0.0432-0.003)=38.6 g/h
根據(jù)上述計(jì)算可知,4>3,說明該設(shè)備除濕能力能夠滿足干燥間除濕要求。
經(jīng)過以上的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算,最終選用一套風(fēng)量為5800 m3/h的超低露點(diǎn)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī),干燥間送風(fēng)量5000 m3/h,采用全回風(fēng)循環(huán),手套箱送風(fēng)量800 m3/h,采用全排風(fēng)方式。經(jīng)過半年的運(yùn)行,設(shè)備整體動(dòng)態(tài)運(yùn)行滿足工藝需求,設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)除濕機(jī)組選型具有很強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。
轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)在鋰錳電池生產(chǎn)過程的水分控制具有很好的應(yīng)用效果。通過以上對(duì)鋰錳電池生產(chǎn)車間除濕工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算分析,我們看到,除濕工藝設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)設(shè)備選型具有很強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。
隨著近年鋰電池廠房的不斷增多,特別是新能源汽車的強(qiáng)勢(shì)興起,各種鋰電池生產(chǎn)車間的要求也越來越多,轉(zhuǎn)輪除濕應(yīng)用的范圍也越來越廣泛。對(duì)于不同要求、不同領(lǐng)域的除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì),在除濕系統(tǒng)復(fù)雜多變的情況下,我們要認(rèn)真分析,詳細(xì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,提供合理、經(jīng)濟(jì)的除濕系統(tǒng)方案。
[1] 江億等. GB 50019-2003, 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2003.
[2] 電子工業(yè)部第十設(shè)計(jì)研究院. 空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 第二版. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1995.
Dehumidification Technology of Lithium Manganese Battery Manufacture
Peng Ang, Ding Jianwu
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China )
TM911.14
A
1003-4862(2017)12-0066-03
2017-09-29
彭昂(1985-),男,工程師。研究方向:化學(xué)電源設(shè)計(jì)與研究。E-mail: 343303649@qq.com