關(guān)于鋰電池正極材料及前驅(qū)體廠房內(nèi)設(shè)備外殼、管道及支架材質(zhì)選用方案探討

高養(yǎng)俠，王曉非，劉 勇

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410021）

正極材料及前驅(qū)體是鋰離子電池的關(guān)鍵核心材料之一，其性能直接影響了鋰離子電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，鋰電池正極材料及前驅(qū)體為近幾年發(fā)展的新興行業(yè)，其設(shè)計(jì)及施工均在摸索中不斷完善，對于鋰電池正極材料及前驅(qū)體各專業(yè)（包含工藝、給排水、暖通、電氣、動力）在選用裸露的設(shè)備、管材及附件中時往往不予重視，通常按傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)選擇設(shè)備、管材的材質(zhì)，造成正極材料及前驅(qū)體品質(zhì)下降，直接影響后期鋰電池包的品質(zhì)[1,2]。

1 鋰電池正極材料及前驅(qū)體廠房內(nèi)嚴(yán)禁含銅鐵鋅的設(shè)備、管道及支架裸露原因分析

正極材料及前驅(qū)體生產(chǎn)過程中，微細(xì)的金屬單質(zhì)（金屬單質(zhì)是由同種金屬元素形成的純凈物。金屬單質(zhì)是單質(zhì)的一種類別[3]。

一般來說，單質(zhì)的性質(zhì)與其元素的性質(zhì)密切相關(guān)。比如，很多金屬的金屬性都很明顯，那么它們的單質(zhì)還原性就很強(qiáng)）進(jìn)入正極材料及前驅(qū)體中可能會引起鋰離子電池內(nèi)部微短路，造成起火或爆炸，電池化成階段的電壓達(dá)到這些金屬元素的氧化還原電位后，這些金屬就會先在正極氧化再到負(fù)極還原，當(dāng)負(fù)極處的金屬單質(zhì)累積到一定程度，其沉積金屬堅(jiān)硬的棱角就會刺穿隔膜，造成電池自放電。自放電對鋰離子電池會造成致命的影響，因而從源頭上防止金屬異物的引入就顯得格外重要。

所以金屬單質(zhì)是影響成品電池安全性的重要因素，在正極材料生產(chǎn)過程中應(yīng)特別加以關(guān)注[4]。

銅、鋅、鐵等金屬單質(zhì)對鋰離子正極材料的性能影響最大，為防止金屬單質(zhì)對正極材料的污染，鋰離子正極材料及前驅(qū)體中必須嚴(yán)格控制金屬單質(zhì)的含量。國外知名的鋰離子電池廠家采購的正極材料，要求金屬單質(zhì)的含量低于20ppb，即低于20×10-9（十億分之一），所以在正極材料及前驅(qū)體生產(chǎn)線上一般嚴(yán)禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質(zhì)的設(shè)備、管材及其附件裸露。正極材料及前驅(qū)體生產(chǎn)工序較多，制造過程中的每一個環(huán)節(jié)都會有金屬異物帶入的風(fēng)險，這就對材料供應(yīng)商的設(shè)備自動化程度及現(xiàn)場質(zhì)量管理水平提出了更高要求。

銅、鋅、鐵等金屬單質(zhì)的引入主要由原材料中帶入，制造過程中金屬設(shè)備帶入、生產(chǎn)環(huán)境中由于機(jī)器磨損、門窗開關(guān)磨損、設(shè)備外殼、管道及支架的老化、破損造成空氣中微量金屬單質(zhì)的帶入。

因此要求原材料廠家預(yù)先除銅鐵鋅，所有與物料接觸的工藝設(shè)備采用非金屬陶瓷部件或內(nèi)襯和涂覆陶瓷或特氟龍涂層，生產(chǎn)車間內(nèi)設(shè)備外殼、管道及支架嚴(yán)禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質(zhì)的設(shè)備外殼、管材及其附件。

2 各專業(yè)存在的問題及設(shè)計(jì)遺漏

（1）工藝生產(chǎn)設(shè)備是金屬單質(zhì)異物引入的主要環(huán)節(jié)，正極材料及前驅(qū)體物料需要與設(shè)備直接接觸，與物料直接接觸的設(shè)備要嚴(yán)防生銹、磨損、老化等現(xiàn)象，每一個環(huán)節(jié)均需嚴(yán)防金屬單質(zhì)異物的引入，嚴(yán)格要求滿足對采購的原材料制定的金屬異物標(biāo)準(zhǔn)。為了除去金屬異物，正極材料及前驅(qū)體生產(chǎn)過程中的配混料、改性包覆、包裝等工序均加入了電磁除鐵機(jī)，但電磁除鐵機(jī)對非磁性的金屬單質(zhì)銅、鋅不起作用，因此廠房內(nèi)更應(yīng)避免銅、鋅的使用。

此外還需要避免外界粉塵進(jìn)入車間，對車間進(jìn)行封閉和設(shè)置風(fēng)淋門。

（2）電氣專業(yè)除在電氣豎井及專用房間內(nèi)可按傳統(tǒng)材質(zhì)選擇外，設(shè)計(jì)人員在材料表中專用房間及電井外的對箱體外殼、橋架、母線、選型一般有明確要求，譬如配電箱（柜）外殼采用噴塑型、環(huán)氧噴涂型、不銹鋼型。橋架可以采用玻璃鋼、不銹鋼、復(fù)合型。

母線采用鋁合金外殼、鋼制外殼、、高防護(hù)型母線等有明確要求，但是對于支架及其固定的螺栓的材質(zhì)等缺乏明確要求。再者，鋰電池行業(yè)為新型行業(yè)，很多現(xiàn)場管理人員及施工人員也缺乏施工經(jīng)驗(yàn)，則按傳統(tǒng)選用角鋼，從而影響工藝產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）動力專業(yè)除設(shè)置在空壓機(jī)房、純水機(jī)房等專用房間管道、設(shè)備可以選用傳統(tǒng)材質(zhì)外，設(shè)計(jì)人員在材料表中應(yīng)明確規(guī)定管材及其附件的材質(zhì)。筆者在實(shí)際翻閱過很多動力的設(shè)備材料，大多數(shù)明確了采用不銹鋼無縫鋼管、不銹鋼法蘭截止閥、不銹鋼螺紋球閥（閥體材料為不銹鋼），其主要管材滿足了鋰電池正極材料及前驅(qū)體不含銅鐵鋅的要求，但是往往忽略了支架及固定支架的膨脹螺絲的要求，從而對電池材料造成污染，影響品質(zhì)。故在設(shè)計(jì)中，應(yīng)明確這些支架及其附件的材質(zhì)。

（4）暖通專業(yè)往往也是在選材中規(guī)定了管道的材質(zhì)，譬如熱力管采用不銹鋼管道，管道連接采用焊接，熱力管采用帶鋁箔的超細(xì)玻璃棉管殼進(jìn)行保溫，同時也避免了銅鐵鋅的外漏。

閥門僅規(guī)定其尺寸、型號、類型，但是缺乏材質(zhì)要求。空調(diào)管、冷凍水水管同熱力管一樣存在主材有要求，或者要求不明確，有的僅要求為金屬材質(zhì)，但是具體無要求，造成采購及施工有誤，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

因防排煙管采用不銹鋼或玻璃鋼和風(fēng)管，但是同樣缺失支架及其附件的材質(zhì)要求。

（5）給排水專業(yè)設(shè)備一般設(shè)置在室外或者專用房間，生產(chǎn)廠房內(nèi)均為管道，包含消防、冷熱水管、排水管、冷卻水水管。室內(nèi)冷、熱水管均采用薄壁不銹鋼管道、螺紋卡粘連接或卡壓連接。消防管道采用內(nèi)外涂塑鋼管，采用溝槽連接，余者絲扣連接，閥門及需要拆卸部位采用法蘭連接。重力排水管采用HDPE排水管、電熱熔連接；壓力排水管采用內(nèi)外熱鍍鋅鋼管、絲接或法蘭連接；室內(nèi)重力雨水排水管采用HDPE排水管、電熱熔連接。重力流雨水斗為87型、鋼制。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)說明中要求與設(shè)備、閥門、水表、水嘴等連接時，應(yīng)采用專用管件或法蘭連接。同樣存在管材選擇不當(dāng)或閥門、聯(lián)結(jié)件材質(zhì)要求不明確的問題。

各專業(yè)存在共同的設(shè)計(jì)及施工缺陷均為未明確支架及其附件（包含固定的螺栓）的材質(zhì)，造成采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場制作角鋼、工字鋼、吊桿，然后刷傳統(tǒng)的防腐防銹漆。

3 各類材質(zhì)的管材優(yōu)劣分析

各專業(yè)在滿足材質(zhì)要求相同下，其不同材質(zhì)支架將對投資成本及其性價比有很大影響。現(xiàn)對各類支架進(jìn)線優(yōu)略進(jìn)行分析，如下表。

表1 各類支架進(jìn)線優(yōu)略分析表

4 解決方案

表2 解決方案

5 建議

（1）根據(jù)不同設(shè)備或管道支架跟物料的接觸程度及影響程度，可采取不同的處理方式，如直接跟物料接觸的采取非金屬材質(zhì)或加涂層、不直接接觸的部件采取物理隔離的措施，如刷漆或包裹等。

（2）各專業(yè)建議采用做綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)，采用成品綜合支架，減少工程造價，節(jié)約成本，節(jié)約空間、管線美觀、便于維護(hù)。各專業(yè)管線綜合后，合理的計(jì)算其安裝高度，從而可以降低建筑層高，進(jìn)而節(jié)約土建成本。

（3）在設(shè)計(jì)中可以綜合考慮管線的路由，設(shè)置封閉的綜合管廊，可以采用傳統(tǒng)的管材及支架，節(jié)約成本。