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锂电池洁净厂房(磷酸和三元电池)无尘车间设计

发布时间:2022-03-21
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一、锂电池的基本认识

        锂电池是一类由锂金属或锂合金为材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。锂、饰与其高能量的金属,当大气中的水气使其腐蚀后,会起火而造成危害。因此,必须采取有效的措施来保证空气湿度符合要求。

二、常见的两种电池生产工艺流线

(一)磷酸铁锂电池

1、工序①

        正极粉体上料20%→正极合浆→正极涂布20%-45%→正极辊压20%→正极分条2、20%→正极模切20%→正极二分20%

2、工序②

        负极粉体上料20%→负极合浆→负极涂布20%-45%→负极辊压20%→负极分条20%→负极模切20%→负极二分40%

3、工序③

        隔膜45%将工序①②③→卷绕叠片20%→电芯装配20%→干燥露点-50%→注液(露点-50℃)→负压化成(露点-30%)→二次注液(露点-50℃)→密封钉焊接(露点-50℃)→贴膜→常温静置→定容→模块组装→Pack集成→Pack出厂

(二)三元锂电池

1、工序①

        正极粉体上料2%-20%→正极合浆→正极涂布2%-20%→正极辊压2%-20%→正极分条2%-20%→正极模切2%-20%→正极二分2%-20%

2、工序②

        负极粉体上料30%→负极合浆→负极涂布45%→负极辊压45%→负极分条45%→负极绝缘层合桨2%-20%→负极绝缘层涂布20%→负极二次辊压20%→负极模切45%→负极二分45%

3、工序③

        隔膜45%将①②③→卷绕叠片2%-20%→电芯装配2%-20%→干燥露点-30%→注液(露点-50℃)→负压化成(露点-30%)→二次注液(露点-50℃)→密封钉焊接(露点-30℃)→贴膜→常温静置→定容→分选(此步后也可单体成品出厂)→模块组装→Pack集成→Pack出厂

三、生产工艺(全自动干燥线)方式的选型

        目前全自动干燥线主要有两种,一种是由烘箱+自动化转运系统组成的干燥线,另一种是隧道式干燥线。第一种干燥线其布置房间需控制湿度在露点-50 ℃以下,而隧道式干燥炉由于干燥过程中电池一直在隧道炉内,干燥线布置区域无需湿度控制,只需在出炉间控制湿度在露点-50 ℃以下即可,可极大地减少低湿区域的面积。

五、锂电池生产车间的关键工序

        封口、注液工序操作的电芯、壳体均已通过干燥处理,因此对车间内空气中的水分极其敏感,一旦房间内空气中水分含量过高被电池吸收,会造成电池鼓胀、漏液等诸多问题,因此对锂电池封口、注液工序进行有效的环境控制是锂电池生产过程中非常重要的环节。

        电池注液工序对湿度控制特别严格,将烘干后的电池转运到手套箱或注液机内添加电解液,注液后电池经过焊接封口等工序成为成品电池,然后转人化成车间化成。

        电池干燥件和电池注液手套箱内是电池与外界接触的地方,该工位环境控制应非常严格,以保证锂电池正常生产要求,正常锂电池生产要求水分含量露点要求低于-40℃,实际工作中一般选取露点低于-35 ℃、-50℃不等,露点越低,配备的除湿机就越大,设备投资及运行费用就相应增加。

        电池干燥间、自动注液机内露点要求非常高,电池干燥间、自动注液机内露点要求非常高,普通空调系统无法满足低露点环境,考虑到人员对环境露点影响,各干燥区域也对人数有严格限制。转轮除湿机在锂电池除湿方面有无法比拟的优越性应用先进技术,可以把处理空气处理到相对湿度范围为0.5%~100%。

四、锂电池生产环境控制的关键

        不同形状锂电池的差别主要在注液到贴膜之间的几个工序,合景净化工程公司认为,确定环境湿度控制的关键是:注液后的电池状态,是否封口,如注液后封口,则其后续工序无特殊湿度要求,如未封口,则至少需保证露点-30 ℃的湿度控制。由于方形金属壳采用负压化成,注液后未封口,所以化成时要保证露点-30℃的湿度。封口/一封时由于要防止注液后挥发的电解液与空气中的水分发生反应,其湿度也需控制在露点-50℃以下。

五、锂电池洁净厂房生产车间除湿方式的选择和确定

        现行的空气除湿方式有:冷却除湿,液体吸附剂除湿,固体吸附剂除湿,膜除湿等。

        目前,空气除湿主要有冷却除湿和转轮除湿。

(一)冷却除湿

        冷却除湿在高温高湿的环境且对湿度要求不是很严格的条件下,效果还是比较好,但在除湿量比较大且环境温度比较低的环境中,湿度和温度要求比较高的地方,采用冷却除湿就很难达到所控制的湿度要求,并会出现冷凝结露现象且能耗也是比较大的,因为空气只有冷却到露点温度以下(一般约为15 C)才能进行除湿,这就需要把被处理的空气处理到露点温度以下后进行除湿,处理后的空气温度(约为15 C)是比较低的,并不能直接送人室内,因为在低温的环.境中会使人身体不适,所以就要求把处理后的空气温度再加热到人体比较适合的温度(一般约为23°C),从而在把被处理的空气先降温到露点温度。

        进行除湿再加热升温到舒适的环境温度在能耗消耗上是比较大的。并要求在某些过渡季节甚至冬季同样需要开启制冷机组,目的仪仅定陈it3风进行降温除湿)。而后再通过后加热竹偿的力式,重新控制室内的温度要求,浪费了大量的能源。

(二)转轮除湿机

        转轮除湿机进行除湿,将不受空气露点影响,且除湿量大。轮除湿机是利用固体吸亚剂做成的转轮进行旋转除湿的设备。转轮陈湿机的核心结构为一不断转动的蜂窝状干燥转轮,它是除湿机吸收水分的最关键的部件,是出含有少许金属钛的特殊玻璃纤维载体和沽性在版合而成,其蜂窝状的结构设计,不仅能够极大限度的附着吸湿剂,增加湿空气与吸湿剂相昱.拨融的表面积,提高除湿机的工作效率,而且具有很高的强度,能够很好的适用于各种复杂的工作环境。

        因此,在锂电池行业较为常用的除湿方式为转轮除湿。锂理电池生产过程中前段工序如揽拌一般湿度控制在相对湿度20%~40%的社装配一般控制在相对湿度10%~40%。每一个厂家根据材料和生产规模的不同,制定不同的工艺要求。个别的特殊工艺,前段工序也有相对湿度在1%左右的要求。

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六、锂电池生产车间除湿空调系统

(一)锂电池生产车间除湿空调系统分类

        1、普通湿度需求空调房间,如原材料库房、极耳胶物料间、铜、铝箔拆箱区等房间,其湿度控制需求为≤60%,该需求可通过冷却除湿实现;

        2、低湿需求空调房间,如取样间、极耳胶合浆间、正极混切间等房间,其湿度控制需求为≤20%,以及负极鲲切间、负极激光模切间等房间,其湿度控制需求为≤45%,该需求通过冷却除湿很难实现,因此往往通过转轮除湿机组处理后来满足使用需求,机组中设置一级转轮除湿段﹔

        3、低露点湿度需求空调房间,如电池拆解间、干燥间以及注液间等房间,其湿度控制需求为露点≤-30 ℃,甚至更高,该需求现有的一级转轮除湿机组很难满足工艺需求,工程中一般设置两级转轮除湿段对房间空气进行处理,以满足使用需求。

(二)锂电池生产车间散湿量及其特点

        锂电池生产车间不同于普通的工业生产车间,其对环境湿度的要求极其严苛,因此在空调系统选型计算时,应对低湿以及低露点要求的工艺生产环境进行严格的湿负荷计算,且散湿量应包括如下内容:

1)人体散湿量;

2)围护结构散湿量;

3)原材料及包装材料散湿量;

4)工艺过程的散湿量﹔

5)各种潮湿表面的散湿量;

6)渗透空气带入的湿量;

7)新风带入的湿量。

(三)锂电池生产车间低湿空调系统布置原则

        空气调节系统划分的原则除应符合现行国家标准《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50019和《电子工业洁净车间设计规范》GB 50472。

       合景净化工程公司在项目设计规划期与业主方协调一致后,应该将锂电池工厂供暖、通风、空调与空气净化系统的设计应满足生产工艺对生产环境的要求。洁净室(区)及干燥房的气流组织应根据洁净度、露点温度以及生产工艺要求确定。

1、干燥房与一般空调房间应分开设置空气调节系统;

2、露点温度差别大的干燥房应分开设置空气调节系统;

3、有洁净度要求的干燥房与无洁净度要求的干燥房应分开设置空气调节系统;

4、正极生产车间和负极生产车间应分开设置空气调节系统;

5、产尘量大的车间应设置独立的空气调节系统,并应配置粉尘处理装置。

(四)锂电池生产车间除湿空调系统的特殊要求

1、风管材质要求

        在锂电池生产车间中,低露点空调系统的送、回风管常采用不锈钢板,采用厚度不小于1.0 mm厚的不锈钢板制作,采用氩弧焊满焊焊接。由于低露点空调系统送、回风管道中的空气含湿量极低,为了避免外界空气对风管内空气的二次污染,因此采取了这一做法,尽可能的降低风管漏风率,保证漏风率不大于0.5%甚至更低。

2、高温化成间气流组织

        化成是锂电池生产过程中的重要工序,化成时在电池的负极表面形成一层钝化层,即固体电解质界面膜(SEI膜),SEI膜的好坏直接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能。高温化成间的工艺需求一般为:吊顶高度在4m以上,温度要求为45士3 °C,湿度要求露点≤- 30°C。常规的空调系统设计中很少遇到45士3 °C 的高温需求的情况,同时由于高温化成间在锂电池生产车间内所占面积极小,容易被设计忽视。

        下送上回的气流组织形式要与工艺设备布局紧密结合,需要耗费大量的精力去设计。因此目前锂电池生产车间高温化成间的气流组织习惯性采取上送,上回或者上送下回等形式,未考虑热空气呈自然上升趋势的物理现象,造成房间温度场极其不均匀,温度梯度过大(上下温差最大达到10C以上),房间吊顶处温度过高(>60°C),灯具及喷头长期处于高温环境中存在安全隐患等问题,这些问题的存在大大影响了工艺生产。

(五)低露点空调系统设计

        目前已运行锂电池生产车间大部分低露点空调房间均存在过渡季节温度过低(<18 ℃)问题,而房间温度过低会造成电解液凝结、结晶等情况的出现,因此必须避免出现房间温度过低的情况。上述情况的出现是由于经过二级转轮处理后的空气温度基本保持在1516℃左右,加上过渡季节室外气温较低,房间冷负荷较低,不足以将房间温度升至18 ℃以上,而此时集中的热源并未开启使用。因此针对过渡季节房间温度过低(<18℃)的问题,为了确保实际使用当中严格满足工艺需求,低露点空调机组末端应增加电辅热措施,以保证过渡季节房间的工艺需求。

(六)生产车间小环境(房中房)

        锂电池洁净厂房生产车间为了尽可能的降低要求较高区域的体积,因此设置了很多房中房,也就是锂电池生产车间所说的“小环境”。小环境一般是由亚克力板或不锈钢板等制作而成。

        由于小环境的围护结构无法安装高效送风口,因此对于洁净度要求较高的小环境,目前常见的做法是在空调机组内增加高效过滤段,末端送风管道由小环境上方送入,回风通过均匀布置在小环境周边的回风立管下侧的回风口回至空调机组,小环境顶与大环境吊顶之间高差较小(<500 mm)的情况,可考虑取消小环境顶板,直接与大环境吊顶连接,末端高效送风口则可设置在吊顶板上。