徐先華,程星華,宋 宣,劉書(shū)傾

(中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院股份有限公司,北京 100142)

0 引言

隨著生產(chǎn)生活對(duì)化石燃料能源需求的不斷增加,我國(guó)正在有序且快速地推進(jìn)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)型,為我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和增強(qiáng)國(guó)際影響力提供了新的方向[1]。新能源汽車(chē)的熱度不斷上升,使得動(dòng)力電池成為行業(yè)的新需求點(diǎn),對(duì)其品質(zhì)要求也在不斷提高。粉塵、氣流、溫度、濕度的變化都嚴(yán)重影響電池本身的質(zhì)量[2]。

車(chē)間內(nèi)的潔凈度水平是影響產(chǎn)品質(zhì)量的第一要素[3]。楊鵬舉等人[4]從制造工藝需求出發(fā),結(jié)合行業(yè)研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)廠房進(jìn)行全局把控,開(kāi)發(fā)了超低露點(diǎn)與高潔凈度的大規(guī)模鋰離子電池廠房建造技術(shù)。李晨光等人[5]研究了除濕機(jī)系統(tǒng)水封破壞的現(xiàn)象,并介紹了一種新型乒乓球水封,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠有效滿足車(chē)間內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)所需的環(huán)境濕度要求。李鐵南[6]總結(jié)分析了鋰離子電池生產(chǎn)車(chē)間的露點(diǎn)控制條件和影響因素,并提出了一套適用性廣泛的潔凈廠房露點(diǎn)控制方案。楊良生[7]研究了濕度控制原理,針對(duì)廠房施工中的濕度控制技術(shù)難點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決方案。趙磊[8]對(duì)比分析了不同正極材料和不同封裝形式的鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程,總結(jié)了不同技術(shù)類(lèi)型生產(chǎn)車(chē)間的濕度控制范圍,強(qiáng)調(diào)了低濕環(huán)境對(duì)電池綜合性能的重要性。

鋰離子電池產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求十分嚴(yán)苛,其中最重要的是濕度和潔凈度的管控。為了滿足這些要求,環(huán)境控制設(shè)備主要有除濕機(jī)、除塵機(jī)、空調(diào)、水系統(tǒng)和NMP廢氣回收系統(tǒng)。本文將對(duì)潔凈度、濕度和NMP廢氣回收等關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行分析和說(shuō)明,為鋰離子電池潔凈廠房的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供一些參考。

1 環(huán)境控制項(xiàng)目

1.1 潔凈度控制

車(chē)間環(huán)境的潔凈度水平是鋰離子電池生產(chǎn)的前提條件,10萬(wàn)級(jí)的潔凈度等級(jí)基本滿足了鋰離子電池生產(chǎn)對(duì)潔凈度的要求。一般建議鋰離子電池各生產(chǎn)工序的潔凈度等級(jí)設(shè)計(jì)如下:合漿區(qū)為30萬(wàn)級(jí);涂布、輥壓、分切、注液區(qū)為10萬(wàn)級(jí);檢測(cè)和Pack區(qū)的潔凈度則根據(jù)各企業(yè)的實(shí)際需求來(lái)規(guī)劃。某鋰離子電池廠房主要工序生產(chǎn)車(chē)間的潔凈度等級(jí)要求如表1所示。

1.2 濕度控制

鋰離子電池潔凈廠房對(duì)濕度控制十分嚴(yán)格,稍有偏差就會(huì)影響單體電池、電池包以及模組的性能,甚至造成無(wú)效生產(chǎn),浪費(fèi)資源。因此,嚴(yán)格的濕度控制是生產(chǎn)高質(zhì)量鋰離子電池產(chǎn)品的關(guān)鍵條件之一。一般建議鋰離子電池各生產(chǎn)工序的濕度控制條件設(shè)計(jì)如下:攪拌、涂布區(qū)的相對(duì)濕度≤30%;輥壓、制片區(qū)的相對(duì)濕度≤10%;疊片、卷繞和裝配區(qū)的相對(duì)濕度≤1%。不同技術(shù)體系的鋰離子電池產(chǎn)品生產(chǎn)車(chē)間的濕度要求略有不同,三元材料(尤其是高鎳三元[9])比磷酸鐵鋰更易吸水,因?yàn)樗鼈兙哂休^強(qiáng)堿性。因此,三元類(lèi)產(chǎn)品對(duì)濕度的要求更高,其前段極片制造工序的相對(duì)濕度要求在2%～20%[1]。此外,濕度的選擇還與電池具體的制造路線有關(guān)。例如,注液后電池是否封口對(duì)后續(xù)工序濕度的要求也不同。另外,設(shè)備的選型也會(huì)影響車(chē)間的濕度要求。例如,隧道式干燥爐可以在設(shè)備內(nèi)部對(duì)電池進(jìn)行干燥,因此在設(shè)備的干燥段區(qū)域不需要進(jìn)行嚴(yán)格的濕度控制,只需在電池離開(kāi)設(shè)備的區(qū)域控制濕度即可。某方殼磷酸鐵鋰離子電池廠房主要工序生產(chǎn)車(chē)間濕度要求如表2所示。

表1 某鋰離子電池生產(chǎn)車(chē)間潔凈度等級(jí)要求Table 1 Cleanliness grade requirements of a lithium ion battery workshop

表2 某鋰離子電池生產(chǎn)車(chē)間濕度要求Table 2 Humidity requirements of a lithium ion battery workshop

續(xù)表

1.3 NMP廢氣控制

NMP由于價(jià)格昂貴,在生產(chǎn)環(huán)節(jié)要進(jìn)行及時(shí)有效的回收,以避免資源浪費(fèi)[10]。此外,NMP具有毒性,若直接排放必然會(huì)對(duì)車(chē)間環(huán)境以及生產(chǎn)人員造成不良影響[11]。我國(guó)有相關(guān)規(guī)范準(zhǔn)則來(lái)控制NMP廢氣的排放,國(guó)際上的排放指標(biāo)是5 mg/m3。對(duì)于電池企業(yè)來(lái)說(shuō),需要嚴(yán)格控制NMP廢氣的排放,因此對(duì)NMP廢氣回收方法的選擇和相關(guān)設(shè)備的要求會(huì)越來(lái)越高。NMP主要在正極制漿和涂布工序中使用,除了在涂布機(jī)進(jìn)出口和由于烘干不充分等原因造成少量揮發(fā),大部分NMP廢氣都是通過(guò)回收裝置進(jìn)行回收。

2 環(huán)境控制方法

2.1 潔凈度控制方法

在鋰離子電池的生產(chǎn)過(guò)程中,如果灰塵落到極片上,可能會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)短路問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,一些產(chǎn)塵量大的工序,如極片裁切、轉(zhuǎn)接片焊接、密封釘焊接等,其設(shè)備會(huì)配置除塵功能。此外,由于操作人員在車(chē)間內(nèi)活動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生灰塵漂浮,因此廠房通常采用風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元(fan filter units,FFU)除塵系統(tǒng)。潔凈室的潔凈度主要通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)控制,空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。潔凈室的氣流類(lèi)型如圖2所示,大致分為上送下回、上送下側(cè)回、上送上回、側(cè)送同側(cè)下回、側(cè)送對(duì)側(cè)下回和側(cè)送同側(cè)上回六種。根據(jù)廠房的實(shí)際情況,可以選擇合適的氣流類(lèi)型。潔凈室的層流類(lèi)型有垂直單向流、水平單向流、射流三種,如圖3所示。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)示意圖[12]Fig.1 Air conditioning system diagram[12]

圖2 潔凈室氣流類(lèi)型(a)上送下回;(b)上送下側(cè)回;(c)上送上回;(d)側(cè)送同側(cè)下回;(e)側(cè)送對(duì)側(cè)下回;(f)側(cè)送同側(cè)上回[11]Fig.2 Air flow type of the clean room (a) Up and down;(b) Up feeding and down side returning;(c) Submit and return;(d) Side feed and side return;(e) Side feed and opposite side return;(f) Side feed,same side up return[11]

圖3 潔凈室層流類(lèi)型(a)垂直單向流;(b)水平單向流;(c)射流[13]Fig.3 Clean room laminar flow type (a) Vertical unidirectional flow;(b) Horizontal unidirectional flow;(c) Jet[13]

考慮鋰離子電池生產(chǎn)車(chē)間潔凈度的要求,潔凈度的控制還有以下幾個(gè)方面需要注意:首先是對(duì)人員的要求,需要規(guī)范穿著要求,加強(qiáng)對(duì)潔凈服的管理。在潔凈室之前應(yīng)設(shè)置風(fēng)淋室,以阻擋塵埃和水汽進(jìn)入潔凈間。其次是對(duì)物料的管理,原則上原材料及物品不應(yīng)存儲(chǔ)在潔凈間內(nèi)。進(jìn)入潔凈間之前,物料要經(jīng)過(guò)擦拭和貨淋處理,外包裝如木箱需提前拆卸。進(jìn)入潔凈間后,物料要放到指定區(qū)域,并及時(shí)清理,需要達(dá)到無(wú)塵標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是搬運(yùn)物料的工具也要及時(shí)進(jìn)行清理,不同區(qū)域的搬運(yùn)工具不能混用。再次是對(duì)設(shè)備的管理,做到每日清潔,定期維護(hù),對(duì)維護(hù)后的部位也要及時(shí)清理。最后是對(duì)環(huán)境的要求,車(chē)間主體以及走廊、物流通道等其他區(qū)域要時(shí)刻保持清潔。

2.2 濕度控制方法

與其他行業(yè)相比,鋰離子電池潔凈廠房環(huán)境控制的最大特殊之處在于對(duì)濕度的嚴(yán)格管控。在注液、開(kāi)口化成等工序中,考慮水分對(duì)電解液和電池性能的影響,一般要求相對(duì)濕度控制在1%以下。常見(jiàn)的除濕方法有冷凍除濕、溶液除濕、固體除濕和干式除濕等。綜合考慮鋰離子電池生產(chǎn)工藝的需求、設(shè)備的體積、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和成本等因素,鋰離子電池廠房多采用轉(zhuǎn)輪除濕來(lái)滿足車(chē)間的濕度要求[14]。不同的濕度要求需要考慮使用不同等級(jí)的除濕系統(tǒng),以避免資源浪費(fèi)。鋰離子電池生產(chǎn)車(chē)間的濕度要求大致分為三個(gè)等級(jí):對(duì)于正、負(fù)極材料拆包間等濕度要求在55%以下或者對(duì)濕度沒(méi)有特殊要求的房間,可以采用冷卻除濕的方法;對(duì)于合漿、制片等濕度要求在30%以下的車(chē)間,一般采用一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕;對(duì)于烘烤、注液等低露點(diǎn)要求的車(chē)間,一般采用兩級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕。

轉(zhuǎn)輪除濕的工作原理:轉(zhuǎn)輪除濕分為除濕區(qū)和再生區(qū)兩部分,外部空氣通過(guò)初效過(guò)濾和表冷,一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕區(qū),空氣中的水分經(jīng)過(guò)蜂窩管狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪,被吸附劑吸附,干燥的空氣通過(guò)處理風(fēng)機(jī)送到干燥房中。再生區(qū)的空氣經(jīng)過(guò)加熱變成高溫空氣,反向通過(guò)轉(zhuǎn)輪,將其吸附的水分蒸發(fā)掉,使轉(zhuǎn)輪恢復(fù)除濕能力。二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕可以得到比一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕更低的露點(diǎn)溫度。某鋰離子電池廠房一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕和二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕方案如圖4(a)、(b)所示。

圖4 (a)一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)方案流程;(b)二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)方案流程[1]Fig.4 (a) Scheme flow of primary runner dehumidification system;(b) Scheme flow of two-stage runner dehumidification system[1]

2.3 NMP廢氣控制方法

NMP廢氣回收方法主要有以下三種。

(1)轉(zhuǎn)輪吸附。轉(zhuǎn)輪回收設(shè)備有處理區(qū)、冷卻區(qū)和脫附區(qū)。NMP廢氣經(jīng)轉(zhuǎn)輪處理區(qū),被活性炭、沸石分子篩等吸附劑吸附,吸附后的NMP進(jìn)入冷卻區(qū)。經(jīng)過(guò)冷卻區(qū)的空氣進(jìn)入再生加熱器,成為高溫空氣后進(jìn)入再生區(qū),對(duì)轉(zhuǎn)輪上吸附劑中的NMP進(jìn)行脫附處理。轉(zhuǎn)輪吸附流程如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)輪吸附流程圖[15]Fig.5 Flow chart of runner adsorption[15]

(2)冷凝回收。對(duì)NMP廢氣進(jìn)行深度冷卻,冷凝為液態(tài),降低廢氣中NMP的含量。冷凝回收流程如圖6所示。

圖6 冷凝回收流程圖[15]Fig.6 Condensation recovery flow chart[15]

(3)溶劑吸收。由于NMP具有吸水性,因此可以用水作為吸附劑,對(duì)NMP進(jìn)行吸收。目前該方法主要采用噴淋吸收塔的形式。溶劑吸收流程如圖7所示。

圖7 溶劑吸收流程圖[15]Fig.7 Flow chart of solvent absorption[15]

3 結(jié)論

綜上所述,隨著電池行業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷迭代更新,對(duì)動(dòng)力鋰離子電池潔凈廠房的要求也越來(lái)越高。潔凈度、濕度、NMP廢氣等關(guān)鍵控制指標(biāo)需要重點(diǎn)關(guān)注。此外,對(duì)照明環(huán)境、噪音、振動(dòng)和靜電的控制也是鋰離子電池產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中不可忽視的。在未來(lái)的建設(shè)實(shí)踐中,要繼續(xù)探索新理論、新方法,為鋰離子電池潔凈廠房的建設(shè)提供幫助。