基于鋰離子電池生產過程的《化工安全與環保》課程創新教學探索

＊楊偉 鄭文芝 鄒漢波 陳勝洲 劉自力

（廣州大學化學化工學院 廣東 510006）

《化工安全與環?！肥腔瘜W工程與工藝專業的一門專業核心課程[1]，主要是針對化學工業生產中化學品原料、成品等生產、存儲及運輸過程中存在的有害物質和危險因素，研究潛在的危險源及事故發生的原因和防范措施。通過學習基礎理論和技術，鍛煉學生的科學思維能力，使學生掌握化工產品生產和儲運安全的基本觀點和思維方法，并學會運用理論知識解決實際工程問題。

由于城市大氣環境惡化的壓力，國家政策鼓勵扶持，近年來我國新能源汽車得到高速發展，從而使得鋰離子電池產業也得到迅猛發展[2]，尤其珠三角地區聚集了大量的鋰離子電池生產廠家。由于鋰離子電池制造涉及到有機電解液、N甲基吡咯烷酮溶劑等原材料為易燃易爆化學品，制成成品后鋰離子電池能量密度得到大大提升，如發生意外將會導致重大的安全事故。另外由于原材料生產制備成器件后，其整個電池器件的安全性能以及其在發生安全事故時所產生的危害與之前的生產原料是完全不同的，且在事故發生后緊急處理和滅火救援的方式也有所不同[3]，而在此方面缺乏系統的理論學習，因此生產人員、安監人員、消防人員等對此還缺乏足夠的了解，如果發生火災且按照其他易燃物處理極有可能會導致二次事故，造成更大的人員傷亡和經濟損失，因此在化學工程與工藝專業教學的過程中要對其進行講解，使學生能夠清晰的認識到電池生產及運輸存儲過程的安全影響因素，進而使學生建立起完善的安全生產意識，對待不同化學品或不同器件就要進行差異性對待，認真了解其安全影響因素。

本文基于鋰離子電池安全生產和儲運，對《化工安全與環?！氛n程創新教學探索，使化學工程與工藝專業的本科生有意識的去發現化工產品的生產和儲運過程有可能涉及到的問題點，對培養學生安全生產意識有重要意義。而我校化學工程與工藝專業在多年前開設新能源材料與器件方向，在鋰離子電池正負極材料、電解液及器件產品等領域具有較強的業內影響力，近年來已為新能源行業培養大量的生力軍。依托本專業特色，為了使學生更好地掌握鋰離子電池生產過程中涉及到的化工安全與環?；驹?，培養學生在工作過程中發現問題和解決問題的能力，在此我們按照鋰離子電池生產過程簡單介紹對《化工安全與環?！氛n程教學創新探索的基本情況。

1.鋰離子電池生產原材料存儲及運輸安全

（1）非可燃性原材料。鋰離子電池正極材料常用的錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰、富鋰錳基材料等屬于金屬氧化物，常用的負極材料天然石墨、人造石墨、鈦酸鋰、硅碳材料等材料[4]，均為非可燃物，不屬于危險化學品。作為鋰離子電池隔膜的聚乙烯（PE）膜、聚苯乙烯（PP）膜等在存儲過程中是以緊密卷繞的形態存在，與空氣接觸面積較小，不易燃燒；另外電池的銅箔、鋁箔、金屬外殼、金屬墊片等為不燃物，因此亦可歸為此類。對于此類物質在存儲及運輸的過程中僅需要保持干燥的條件（防止材料吸潮后導致結構變化或電化學性能變化，導致產品性能下降）按照普通貨物運輸，不需要采用危險化學品運輸和存儲標準。

（2）可燃原材料。目前商業化通用的鋰離子電池電解液主要為六氟磷酸鋰電解質鹽溶于碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯等混合有機溶劑。由于六氟磷酸鋰極易與水蒸氣發生反應，并放出具有強烈刺激性和腐蝕性的PF5白色煙霧[5]，因此存儲和運輸時需要嚴格控制環境水分，并且要做好個人防護，防止吸入。運輸車輛必須配備防毒面具、全身消防服。滅火時消防人員必須穿全身耐酸堿消防服、佩戴空氣呼吸器滅火，盡可能將容器從火場移至空曠處，噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束。

電解液中所使用的碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯等溶劑的閃點都較低（詳細數據見表1），屬于易燃化學品[6]，尤其碳酸二甲酯閃點低于28℃屬于甲類火災危險性化學品。因此存儲鋰離子電池電解液的倉庫需按照易燃化學品倉庫的《化學危險物品安全管理條例實施細則》《化學危險物品安全管理條例》《常用化學危險品貯存通則》《倉庫防火安全管理規則》《建筑設計防火規范》《危險化學品管理辦法》等規范或標準進行設計、報建、審查，必須按照《道路危險貨物運輸管理規定》進行運輸。

表1 鋰離子電池電解液常用有機溶劑的物理參數

2.鋰離子電池生產過程安全

鋰離子電池生產包括正極配料勻漿、負極配料勻漿、涂布、正極制片、負極制片、正極片制備、負極片制備、卷繞、入殼、電芯烘烤、注液、封口等十多道工序，主要的關鍵步驟，如圖1所示。

（1）勻漿、涂布階段。鋰離子電池勻漿主要是采用機械攪拌的方式使電極正負極活性物質、導電劑、粘結劑等溶于N甲基吡咯烷酮（NMP）溶劑，形成均一的懸濁液漿料[7]。由于電極活性物質和導電劑的粒度一般都小于2000目，尤其是乙炔黑等導電劑比表面積大、密度小，很容易在空氣中懸浮，如未做好除塵和個人防護措施，長期處于這種工作環境極有可能會造成塵肺病等職業病[8]，因此在該工段必須有警示語和監督巡查，并保證做到除塵、防塵。

涂布階段是將均勻分散的正負極電極漿料涂覆到鋁箔、銅箔等金屬集流體上，然后在90～150℃下進行干燥，使其中的N甲基吡咯烷酮徹底揮發。由于在生產過程中，漿料的固含量僅為40%以下，因此含有大量的N甲基吡咯烷酮，如不對其進行回收，將會造成極大的資源浪費，與十九大報告中提出的“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策”不符。另外由于N甲基吡咯烷酮對皮膚有輕度刺激作用，長期慢性作用可致中樞神經系統機能障礙，引起呼吸器官、腎臟、血管系統的病變[9]，另外N甲基吡咯烷酮閃點為91℃，因此涂布車間不但需要嚴格做好防火禁煙措施，以免發生燃爆事故，而且還要做好隔離密封，使N甲基吡咯烷酮全部進入回收系統。

（2）卷繞、注液、封口階段。卷繞工序主要是將正負極極片和隔膜采用高速卷繞機卷繞成電芯，此工序主要是防止機械夾傷，因為設備中有數個旋轉軸裸露在外，如果員工頭發較長而且未做束縛會有卷入的風險，因此要做好警示語和著裝要求監督。

注液工序是將電芯放入鋼殼后注入電解液。由于電解液的易燃性，此工序必須要做好防火措施，制定完善的緊急預案。目前大多數廠家的注液工序均采用自動注液設備，因此必須做好聯動自鎖裝置，在發生事故時可以自動切斷電解液供應。另外注液車間的電解液桶放置必須符合消防安全規定，禁止將電解液桶放置在消防通道或緊急疏散通道經過的位置，以防發生事故時引起劇烈燃燒，使人員無法安全撤離。

封口工序主要是通過沖擊車床采用機械模具將電池鋼殼密封，以阻止電池中的電解液溶劑揮發，保證電池長期使用性能。由于要將金屬殼沖擊變形，因此需要較大的機械沖擊力，必須注意防止機械夾傷，在此階段，一旦發生意外將會對人體產生不可逆的傷害，必須要做好防護裝置。

（3）化成階段。由于鋰離子電池封口完成后，電極材料并不是處在最佳使用狀態，或者物理性質不合適，需要進行首次充放電對其激活，稱之為化成[10]?；杀举|上來說就是一次充放電過程，然而如果電池極片出現偏差等內部結構不良，在化成過程中電池出現發熱量過大，甚至起火，另外如果設備故障無法自動終止充電造成過充，也會造成安全事故，因此在此工序必須嚴格制定巡查制度，并且在化成車間安裝完善的煙霧報警器，防止單個產品不良導致大的生產事故。

3.鋰離子電池產品存儲、運輸過程安全

化成后的鋰離子電池已經具有較高的能量密度，其正極材料由之前各種穩定的鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物等變為非穩態的Li1-xMn2O4、Li1-xCoO2等，受熱后易釋放出氧原子，且此不穩定狀態隨著帶電量的增加而加劇。負極材料為鋰原子與石墨形成的LixC6石墨層間化合物，由于鋰元素是以原子形態分散在石墨材料中，具有極強的還原性，極易與氧氣或水反應[11]。因此鋰離子電池在倉庫中擱置或運輸時，電池的帶電量和存儲溫度都會有不同的起火風險，因此必須控制電池的帶電量和存儲溫度。另外鋰離子電池在短路后會瞬間放出極大的熱烈，引發劇烈的熱失控，可能發生燃燒甚至轟燃現象且燃燒殘留物溫度高，易引發火災；單只鋰離子電池燃燒后能夠引燃相鄰的電池，從而形成連鎖燃燒反應，釀成更大規模的火災[12]。因此必須認真對待大規模的鋰離子電池存儲。

應對鋰離子電池存儲及運輸過程的安全需求，國際和國內相關政府部門以及相關行業協會對鋰離子電池指定了一系列的檢測標準。例如國際上的《聯合國危險物品運輸試驗和標準手冊》第3部份38·3款《可充電型鋰電池操作規范》、美國UL保險商實驗室的UL1642《鋰電池標準》、國際電工委員會的IEC62133《含堿性或其它非酸性電解質的蓄電池和蓄電池組便攜式密封蓄電池和蓄電池的安全性要求》等，國內的中國質量認證中心發布的GB31241《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》、國家質檢總局發布的GB/T 31486《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》等[13-15]。要求電池生產、銷售及運輸企業，按照相應的技術標準對鋰離子電池進行各項安全測試，只有通過安全測試的電池才能夠進行銷售、存儲、運輸和使用。

我們要重點關注的是鋰離子電池火災的撲滅。干粉和泡沫滅火方式主要是對起火物體實現物理隔絕氧氣，使燃燒三要素中的助燃劑缺失。然而鋰離子電池一旦發生火災，由于電池在高溫下其聚乙烯、聚苯乙烯隔膜受熱融化后造成電池內部大規模短路[16]，正負極發生劇烈的化學反應，而與助燃劑無關，使用干粉和泡沫滅火無法阻止化學反應的進行。因此電池發生燃燒時必須使用大量的水或者液氮使電池迅速降溫，阻止其他電池持續升溫而導致更大規模的電池熱失控。按照常規理解由于負極存在鋰金屬會與水發生反應生成氫氣導致更嚴重的火災，因此在滅火過程中不使用水，然而鋰離子電池火災的首要滅火要素是迅速降溫，而不是隔絕助燃劑。因此在遇到鋰離子電池起火可以采用大量水使其迅速降溫，才能夠確?；馂牟焕^續蔓延。

通過對以上鋰離子電池生產過程所涉及到的化學品以及制成器件后相關特性的了解，另外在教學的過程中穿插實際生產的視頻、生產廠房規劃圖、倉庫設計圖等，并且將課程的四分之一學時轉移到鋰離子電池生產企業進行現場講解，使得同學們對于各種化工安全與環保、職業病防護、消防安全等知識產生直觀的認識，加深同學們的理解和印象，樹立強烈的安全意識。

4.結語

在完成化工安全與環保課程后，同學們對鋰離子電池生產過程的安全隱患有清晰的認識，使將來從事該行業生產技術、相關安全評價或消防等職位時具有基本的安全理論知識，加深同學們對于化工生產過程及儲運的復雜性有更加清晰的認識。另外貼近實際生產需要的教學內容，使同學們產生極大的學習積極性，容易調動課堂氣氛，教學效果明顯得到提升。

在高?；I工程認證趨勢下，增加課堂內容與生產實際相結合的理論知識和現場教學已經成為當前高校教育改革的熱點，正促使著越來越多的院校化工專業進行改革[17]。但是在課堂理論教學中引入實際生產工藝條件存在著諸多問題，比如選取何種產品的生產過程進行講解、教師如何獲取實際生產過程的經驗、生產工藝更新速度等，這些問題制約著化工專業工程化教育的發展和推廣。相信隨著高校化工專業工程認證推動下，相關專業教師和專家的不斷摸索和探討，對專業教師工程化培訓、教學形式改革等方面進行不斷的完善，逐漸提高本科生工程教育水平。