鋰離子電池潔凈廠房環境控制方法綜述

徐先華,程星華,宋 宣,劉書傾

(中國電子工程設計院股份有限公司,北京 100142)

0 引言

隨著生產生活對化石燃料能源需求的不斷增加,我國正在有序且快速地推進傳統燃油汽車向電動汽車的轉型,為我國經濟增長和增強國際影響力提供了新的方向[1]。新能源汽車的熱度不斷上升,使得動力電池成為行業的新需求點,對其品質要求也在不斷提高。粉塵、氣流、溫度、濕度的變化都嚴重影響電池本身的質量[2]。

車間內的潔凈度水平是影響產品質量的第一要素[3]。楊鵬舉等人[4]從制造工藝需求出發,結合行業研究經驗,對廠房進行全局把控,開發了超低露點與高潔凈度的大規模鋰離子電池廠房建造技術。李晨光等人[5]研究了除濕機系統水封破壞的現象,并介紹了一種新型乒乓球水封,其獨特的結構特點能夠有效滿足車間內連續生產所需的環境濕度要求。李鐵南[6]總結分析了鋰離子電池生產車間的露點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控制方案。楊良生[7]研究了濕度控制原理,針對廠房施工中的濕度控制技術難點提出了相應的解決方案。趙磊[8]對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工藝流程,總結了不同技術類型生產車間的濕度控制范圍,強調了低濕環境對電池綜合性能的重要性。

鋰離子電池產品對生產環境要求十分嚴苛,其中最重要的是濕度和潔凈度的管控。為了滿足這些要求,環境控制設備主要有除濕機、除塵機、空調、水系統和NMP廢氣回收系統。本文將對潔凈度、濕度和NMP廢氣回收等關鍵控制點進行分析和說明,為鋰離子電池潔凈廠房的設計、建造、運營和維護提供一些參考。

1 環境控制項目

1.1 潔凈度控制

車間環境的潔凈度水平是鋰離子電池生產的前提條件,10萬級的潔凈度等級基本滿足了鋰離子電池生產對潔凈度的要求。一般建議鋰離子電池各生產工序的潔凈度等級設計如下:合漿區為30萬級;涂布、輥壓、分切、注液區為10萬級;檢測和Pack區的潔凈度則根據各企業的實際需求來規劃。某鋰離子電池廠房主要工序生產車間的潔凈度等級要求如表1所示。

1.2 濕度控制

鋰離子電池潔凈廠房對濕度控制十分嚴格,稍有偏差就會影響單體電池、電池包以及模組的性能,甚至造成無效生產,浪費資源。因此,嚴格的濕度控制是生產高質量鋰離子電池產品的關鍵條件之一。一般建議鋰離子電池各生產工序的濕度控制條件設計如下:攪拌、涂布區的相對濕度≤30%;輥壓、制片區的相對濕度≤10%;疊片、卷繞和裝配區的相對濕度≤1%。不同技術體系的鋰離子電池產品生產車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,因為它們具有較強堿性。因此,三元類產品對濕度的要求更高,其前段極片制造工序的相對濕度要求在2%～20%[1]。此外,濕度的選擇還與電池具體的制造路線有關。例如,注液后電池是否封口對后續工序濕度的要求也不同。另外,設備的選型也會影響車間的濕度要求。例如,隧道式干燥爐可以在設備內部對電池進行干燥,因此在設備的干燥段區域不需要進行嚴格的濕度控制,只需在電池離開設備的區域控制濕度即可。某方殼磷酸鐵鋰離子電池廠房主要工序生產車間濕度要求如表2所示。

表1 某鋰離子電池生產車間潔凈度等級要求Table 1 Cleanliness grade requirements of a lithium ion battery workshop

表2 某鋰離子電池生產車間濕度要求Table 2 Humidity requirements of a lithium ion battery workshop

續表

1.3 NMP廢氣控制

NMP由于價格昂貴,在生產環節要進行及時有效的回收,以避免資源浪費[10]。此外,NMP具有毒性,若直接排放必然會對車間環境以及生產人員造成不良影響[11]。我國有相關規范準則來控制NMP廢氣的排放,國際上的排放指標是5 mg/m3。對于電池企業來說,需要嚴格控制NMP廢氣的排放,因此對NMP廢氣回收方法的選擇和相關設備的要求會越來越高。NMP主要在正極制漿和涂布工序中使用,除了在涂布機進出口和由于烘干不充分等原因造成少量揮發,大部分NMP廢氣都是通過回收裝置進行回收。

2 環境控制方法

2.1 潔凈度控制方法

在鋰離子電池的生產過程中,如果灰塵落到極片上,可能會導致電池出現短路問題。為了解決這個問題,一些產塵量大的工序,如極片裁切、轉接片焊接、密封釘焊接等,其設備會配置除塵功能。此外,由于操作人員在車間內活動時會產生灰塵漂浮,因此廠房通常采用風機過濾單元(fan filter units,FFU)除塵系統。潔凈室的潔凈度主要通過空調系統控制,空調系統如圖1所示。潔凈室的氣流類型如圖2所示,大致分為上送下回、上送下側回、上送上回、側送同側下回、側送對側下回和側送同側上回六種。根據廠房的實際情況,可以選擇合適的氣流類型。潔凈室的層流類型有垂直單向流、水平單向流、射流三種,如圖3所示。

圖1 空調系統示意圖[12]Fig.1 Air conditioning system diagram[12]

圖2 潔凈室氣流類型(a)上送下回;(b)上送下側回;(c)上送上回;(d)側送同側下回;(e)側送對側下回;(f)側送同側上回[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車間潔凈度的要求,潔凈度的控制還有以下幾個方面需要注意:首先是對人員的要求,需要規范穿著要求,加強對潔凈服的管理。在潔凈室之前應設置風淋室,以阻擋塵埃和水汽進入潔凈間。其次是對物料的管理,原則上原材料及物品不應存儲在潔凈間內。進入潔凈間之前,物料要經過擦拭和貨淋處理,外包裝如木箱需提前拆卸。進入潔凈間后,物料要放到指定區域,并及時清理,需要達到無塵標準。需要注意的是搬運物料的工具也要及時進行清理,不同區域的搬運工具不能混用。再次是對設備的管理,做到每日清潔,定期維護,對維護后的部位也要及時清理。最后是對環境的要求,車間主體以及走廊、物流通道等其他區域要時刻保持清潔。

2.2 濕度控制方法

與其他行業相比,鋰離子電池潔凈廠房環境控制的最大特殊之處在于對濕度的嚴格管控。在注液、開口化成等工序中,考慮水分對電解液和電池性能的影響,一般要求相對濕度控制在1%以下。常見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工藝的需求、設備的體積、運行時長和成本等因素,鋰離子電池廠房多采用轉輪除濕來滿足車間的濕度要求[14]。不同的濕度要求需要考慮使用不同等級的除濕系統,以避免資源浪費。鋰離子電池生產車間的濕度要求大致分為三個等級:對于正、負極材料拆包間等濕度要求在55%以下或者對濕度沒有特殊要求的房間,可以采用冷卻除濕的方法;對于合漿、制片等濕度要求在30%以下的車間,一般采用一級轉輪除濕;對于烘烤、注液等低露點要求的車間,一般采用兩級轉輪除濕。

轉輪除濕的工作原理:轉輪除濕分為除濕區和再生區兩部分,外部空氣通過初效過濾和表冷,一部分進入轉輪除濕區,空氣中的水分經過蜂窩管狀結構的轉輪,被吸附劑吸附,干燥的空氣通過處理風機送到干燥房中。再生區的空氣經過加熱變成高溫空氣,反向通過轉輪,將其吸附的水分蒸發掉,使轉輪恢復除濕能力。二級轉輪除濕可以得到比一級轉輪除濕更低的露點溫度。某鋰離子電池廠房一級轉輪除濕和二級轉輪除濕方案如圖4(a)、(b)所示。

圖4 (a)一級轉輪除濕系統方案流程;(b)二級轉輪除濕系統方案流程[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)轉輪吸附。轉輪回收設備有處理區、冷卻區和脫附區。NMP廢氣經轉輪處理區,被活性炭、沸石分子篩等吸附劑吸附,吸附后的NMP進入冷卻區。經過冷卻區的空氣進入再生加熱器,成為高溫空氣后進入再生區,對轉輪上吸附劑中的NMP進行脫附處理。轉輪吸附流程如圖5所示。

圖5 轉輪吸附流程圖[15]Fig.5 Flow chart of runner adsorption[15]

(2)冷凝回收。對NMP廢氣進行深度冷卻,冷凝為液態,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NMP進行吸收。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 結論

綜上所述,隨著電池行業的快速發展和技術的不斷迭代更新,對動力鋰離子電池潔凈廠房的要求也越來越高。潔凈度、濕度、NMP廢氣等關鍵控制指標需要重點關注。此外,對照明環境、噪音、振動和靜電的控制也是鋰離子電池產品生產過程中不可忽視的。在未來的建設實踐中,要繼續探索新理論、新方法,為鋰離子電池潔凈廠房的建設提供幫助。