随着生产生活对化石燃料能源需求的不断增加,我国正在有序且快速地推进传统燃油汽车向电动汽车的转型,为我国经济增长和增强国际影响力提供了新的方向。新能源汽车的热度不断上升,使得动力电池成为行业的新需求点,对其品质要求也在不断提高。粉尘、气流、温度、湿度的变化都严重影响电池本身的质量。

锂离子电池产品对生产环境要求十分严苛,其中最重要的是湿度和洁净度的管控。为了满足这些要求,环境控制设备主要有除湿机、除尘机、空调、水系统和 NMP 废气回收系统。本文将对洁净度、湿度和NMP 废气回收等关键控制点进行分析和说明,为锂离子电池洁净厂房的设计、建造、运营和维护提供一些参考。

1、环境控制项目

1.1 洁净度控制

车间环境的洁净度水平是锂离子电池生产的前提条件,10万级的洁净度等级基本满足了锂离子电池生产对洁净度的要求。一般建议锂离子电池各生产工序的洁净度等级设计如下:合浆区为30万级;涂布、辊压、分切、注液区为10万级;检测和 Pack 区的洁净度则根据各企业的实际需求来规划。某锂离子电池厂房主要工序生产车间的洁净度等级要求如表1 所示。

1.2 湿度控制

锂离子电池洁净厂房对湿度控制十分严格,稍有偏差就会影响单体电池、电池包以及模组的性能,甚至造成无效生产,浪费资源。因此,严格的湿度控制是生产高质量锂离子电池产品的关键条件之一。一般建议锂离子电池各生产工序的湿度控制条件设计如下:搅拌、涂布区的相对湿度≤30%;辊压、制片区的相对湿度≤10%;叠片、卷绕和装配区的相对湿度≤1%。

不同技术体系的锂离子电池产品生产车间的湿度要求略有不同,三元材料(尤其是高镍三元)比磷酸铁锂更易吸水,因为它们具有较强碱性。因此,三元类产品对湿度的要求更高,其前段极片制造工序的相对湿度要求在 2%~20%。此外,湿度的选择还与电池具体的制造路线有关。例如,注液后电池是否封口对后续工序湿度的要求也不同。另外,设备的选型也会影响车间的湿度要求。例如,隧道式干燥炉可以在设备内部对电池进行干燥,因此在设备的干燥段区域不需要进行严格的湿度控制,只需在电池离开设备的区域控制湿度即可。某方壳磷酸铁锂离子电池厂房主要工序生产车间湿度要求如表2所示。

1.3 NMP 废气控制

NMP 由于价格昂贵,在生产环节要进行及时有效的回收,以避免资源浪费。此外,NMP 具有毒性,若直接排放必然会对车间环境以及生产人员造成不良影响。我国有相关规范准则来控制 NMP 废气的排放,国际上的排放指标是 5 mg/m3 。对于电池企业来说,需要严格控制 NMP 废气的排放,因此对NMP 废气回收方法的选择和相关设备的要求会越来越高。NMP 主要在正极制浆和涂布工序中使用,除了在涂布机进出口和由于烘干不充分等原因造成少量挥发,大部分 NMP 废气都是通过回收装置进行回收。

2、环境控制方法

2.1 洁净度控制方法

在锂离子电池的生产过程中,如果灰尘落到极片上,可能会导致电池出现短路问题。为了解决这个问题,一些产尘量大的工序,如极片裁切、转接片焊接、密封钉焊接等,其设备会配置除尘功能。此外,由于操作人员在车间内活动时会产生灰尘漂浮,因此厂房通常采用风机过滤单元(fan filter units,FFU)除尘系统。洁净室的洁净度主要通过空调系统控制,空调系统如图 1 所示。洁净室的气流类型如图 2 所示,大致分为上送下回、上送下侧回、上送上回、侧送同侧下回、侧送对侧下回和侧送同侧上回六种。根据厂房的实际情况,可以选择合适的气流类型。洁净室的层流类型有垂直单向流、水平单向流、射流三种,如图 3 所示。

考虑锂离子电池生产车间洁净度的要求,洁净度的控制还有以下几个方面需要注意:首先是对人员的要求,需要规范穿着要求,加强对洁净服的管理。在洁净室之前应设置风淋室,以阻挡尘埃和水汽进入洁净间。其次是对物料的管理,原则上原材料及物品不应存储在洁净间内。进入洁净间之前,物料要经过擦拭和货淋处理,外包装如木箱需提前拆卸。进入洁净间后,物料要放到指定区域,并及时清理,需要达到无尘标准。需要注意的是搬运物料的工具也要及时进行清理,不同区域的搬运工具不能混用。再次是对设备的管理,做到每日清洁,定期维护,对维护后的部位也要及时清理。最后是对环境的要求,车间主体以及走廊、物流通道等其他区域要时刻保持清洁。

2.2 湿度控制方法

与其他行业相比，锂离子电池洁净厂房环境控制的最大特殊之处在于对湿度的严格管控。在注液、开口化成等工序中,考虑水分对电解液和电池性能的影响,一般要求相对湿度控制在 1%以下。常见的除湿方法有冷冻除湿、溶液除湿、固体除湿和干式除湿等。

综合考虑锂离子电池生产工艺的需求、设备的体积、运行时长和成本等因素,锂离子电池厂房多采用转轮除湿来满足车间的湿度要求。不同的湿度要求需要考虑使用不同等级的除湿系统,以避免资源浪费。

锂离子电池生产车间的湿度要求大致分为三个等级:对于正、负极材料拆包间等湿度要求在 55%以下者对湿度没有特殊要求的房间,可以采用或冷却除湿的方法;对于合浆、制片等湿 度要求在3 0% 以下的间,一般采用一级转轮除湿;对于烘烤、车注液等低露点要求的车间,一般采用两级转轮除湿。

转轮除湿的工作原理:转轮除湿分为除湿区和再生区两部分,外部空气通过初效过滤和表冷,一部分进入转轮除湿区,空气中的水分经过蜂窝管状结构的转轮,被吸附剂吸附,干燥的空气通过处理风机送到干燥房中。再生区的空气经过加热变成高温空气,反向通过转轮,将其吸附的水分蒸发掉,使转轮恢复除湿能力。二级转轮除湿可以得到比一级转轮除湿更低的露点温度。某锂离子电池厂房一级转轮除湿和二级转轮除湿方案如图 4(a)、(b)所示。

2.3 NMP废气控制方法

NMP废气回收方法主要有以下三种。

(1)转轮吸附。转轮回收设备有处理区、冷却区和脱附区。NMP 废气经转轮处理区,被活性炭、石分子筛等吸附剂吸附,吸附后的 NMP 进入冷沸却区。经过冷却区的空气进入再生加热器,成为高温空气后进入再生区,对转轮上吸附剂中的 NMP 进行脱附处理。转轮吸附流程如图 5 所示。

(2)冷凝回收。对 NMP 废气进行深度冷却,冷凝为液态,降低废气中 NMP 的含量。冷凝回收流程如图 6 所示。

(3)溶剂吸收。由于 NMP 具有吸水性,因此可以用水作为吸附剂,对 NMP 进行吸收。目前该方法主要采用喷淋吸收塔的形式。溶剂吸收流程如图 7 所示。

3、结论

上所述,随着电池行业的快速发展和技术的不断迭代更新,对动力锂离子电池洁净厂房的要求也越来越高。洁净度、湿度、NMP 废气等关键控制指标需要重点关注。此外,对照明环境、噪音、振动和静电的控制也是锂离子电池产品生产过程中不可忽视的。在未来的建设实践中,要继续探索新理论、新方法,为锂离子电池洁净厂房的建设提供帮助。