磷酸鐵鋰電池生產廠房潔凈車間設計及潔凈間低濕環(huán)境控制方案

       隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，鋰離子動力電池的需求也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。我國政府高度重視發(fā)展電池產業(yè)，國家發(fā)改委將鋰離子電池等列入國家重點科技攻關項目。當前鋰離子電池的研發(fā)與應用，已成為現(xiàn)階段的焦點技術。

       鋰電池廠房生產過程中，對空氣濕度要求很高。但是在實際生產過程中，有的生產單位沒有做好相應的除濕工作，無法保證產品的實際質量，降低了企業(yè)的經濟效益，對企業(yè)發(fā)展產生極為不利的影響。因此，為了保證產品生產質量，合景智慧建設(廣東)有限公司（下稱“合景凈化工程公司”或“我司”）為大家解析鋰電池行業(yè)生產工序及針對鋰電池廠房空調除濕系統(tǒng)設計進行分析和論述，并提出相應的設計方法。

一、鋰電池簡介

       “鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、 使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N.Lewis 提出并研究。20世紀70年代時，M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。隨著科學技術的發(fā)展， 現(xiàn)在鋰電池已經成為了主流。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。本文中所說的鋰電池就是鋰離子電池，是鋰離子在正、負極之間反復進行脫出和嵌入的二次電池。鋰離子電池一般以石墨為負極材料、鋰合金金屬氧化物為正極材料、使用非水電解質，其性能主要取決于正負極材料。目前市場上負極區(qū)別不大， 應用于動力型鋰離子電池的正極材料主要有磷酸鐵鋰（LiFePO4）和三元材料等。 鋰離子電池性能的改善，很大程度上決定于電極材料性能的改善，尤其是正極材料。

1 .1 鋰電池主要生產工序

       以典型的方形磷酸鐵鋰鋰電池為例，其主要工序有合漿、涂布、輥壓、分條、模切、卷繞、裝配、干燥、一次注液、化成、二次注液、激光封孔、檢漏、貼膜、靜置、定容、分選、模塊組裝、pack組裝等。工藝流程如圖1所示。

圖1 方形磷酸鐵鋰電池生產工藝流程圖

1 .2 水分對鋰電池性能的影響分析

       影響鋰電池性能的因素有很多，諸如材料種類、正負極壓實密度、水分、涂布面密度及電解液用量等。其中水分對鋰離子電池的性能有著至關重要的影響，水分是鋰離子電池生產過程中需要嚴格控制的關鍵因素。水分對鋰離子電池首次放電容量、內阻、循環(huán)性能、厚度各方面性能影響較大。水分含量高時，電池的放電容量會降低，內阻變大，循環(huán)衰減嚴重，電池的厚度也會增加。因此，為保障電池的性能，在電池生產過程中的各個環(huán)節(jié)都需要嚴格控制水分。

1 .3 項目簡介

       本項目年產鋰離子動力電池5GWh，主要為三元體系鋰電池，另外還有部分的磷酸鐵鋰體系鋰電池。項目總的建筑面積為72216m2，其中低濕及潔凈空調系統(tǒng)所占面積約為32000㎡ 。

二、鋰電池產品生產工藝的環(huán)境要求分析

       以磷酸鐵鋰體系鋰電池為例， 鋰電池典型生產工藝流程和生產環(huán)境要求如圖2所示。

圖2 典型磷酸鐵鋰電池體系生產公司流程及生產環(huán)境需求圖

       根據(jù)以上工藝需求特點，可以大致將鋰電池生產廠房對于空調系統(tǒng)的濕度需求分為以下三類：

       1）普通濕度需求空調房間，如負極涂布間等房間，其濕度控制需求為≤60%，該需求可通過冷卻除濕實現(xiàn)。

       2）低濕需求空調房間，如正極輥壓間、正極分條間、正極模切間以及正極二分間等房間，其濕度控制需求為≤20%，以及正極涂布間、負極輥壓間、負極分條間、負極模切間以及負極二分間等房間，其濕度控制需求為≤45%，該需求通過冷卻除濕很難實現(xiàn)，因此往往通過轉輪除濕機組處理后來滿足使用需求，機組中設置一級轉輪。

       3）低露點濕度需求空調房間，如干燥間、化成間以及注液間等房間，其濕度控制需求為露點≤-50℃，甚至更高，該需求現(xiàn)有的一級轉輪除濕機組很難滿足工藝需求，工程中一般設置兩級轉輪除濕段對房間空氣進行處理，以滿足使用需求。

三、鋰電池生產行業(yè)除濕方式的選擇和確定

       現(xiàn)行的空氣除濕方式有很多種，包括冷卻除濕，液體吸附劑除濕， 固體吸附劑除濕， 膜除濕等。 在實際應用中， 單一除濕技術很難滿足要求， 而且從節(jié)能角度考慮， 多種除濕技術聯(lián)合使用能綜合各種技術的優(yōu)勢、規(guī)避自身不足， 在節(jié)能的同時提高除濕的效率。

       目前，空氣除濕主要有冷卻除濕和轉輪除濕。 在空調除濕系統(tǒng)中，冷卻除濕在高溫高濕的環(huán)境且對濕度要求不是很嚴格的條件下，效果還是比較好，但在除濕量比較大且環(huán)境溫度比較低的環(huán)境中，濕度和溫度要求比較高的地方，采用冷卻除濕就很難達到所控制的濕度要求，并會出現(xiàn)冷凝結露現(xiàn)象且能耗也是比較大的，因為空氣只有冷卻到露點溫度以下（一般是15℃左右）才能進行除濕，這就需要把被處理的空氣處理到露點溫度以下后進行除濕，處理后的空氣溫度（15℃左右）是比較低的，并不能直接送入室內，因為在低溫的環(huán)境中會使人身體不適，所以就要求把處理后的空氣溫度再加熱到人體比較適合的溫度（一般是 23℃左右），從而在把被處理的空氣先降溫到露點溫度進行除濕再加熱升溫到舒適的環(huán)境溫度在能耗消耗上是比較大的。并要求在某些過渡季節(jié)甚至冬季同樣需要開啟制冷機組，目的僅僅是除濕（對新風進行降溫除濕）。而后再通過后加熱補償?shù)姆绞?，重新控制室內的溫度要求，浪費了大量的能源。而采用轉輪除濕機進行除濕，將不受空氣露點影響， 且除濕量大。輪除濕機是利用固體吸濕劑做成的轉輪進行旋轉除濕的設備。轉輪除濕機的核心結構為一不斷轉動的蜂窩狀干燥轉輪，它是除濕機吸收水分的最關鍵的部件，是由含有少許金屬鈦的特殊玻璃纖維載體和活性硅膠復合而成，其蜂窩狀的結構設計不僅能夠極大限度的附著吸濕劑，增加濕空氣與吸濕劑相互接觸的表面積，提高除濕機的工作效率，而且具有很高的強度，能夠很好的適用于各種復雜的工作環(huán)境。

       因此， 在鋰電池行業(yè)較為常用的除濕方式為轉輪除濕。

四、鋰電池生產廠房典型低濕空調系統(tǒng)設計鋰電池生產廠房低濕空調系統(tǒng)的空調送風量應按以下計算結果中的最大值選?。?/strong>

       1）根據(jù)生產車間冷、熱負荷計算得出的送風量。

       2）根據(jù)生產車間濕負荷計算得出的送風量。

       3）為滿足生產車間潔凈需求計算得出的送風量。

       4）根據(jù)生產車間工藝排風計算得出的送風量。

       5）《鋰離子電池工廠設計標準》 GB 51377 推薦的低濕房間所需的換氣次數(shù)計算得出的送風量， 如表1 所示。

表1 低濕房間所需的換氣次數(shù)

表2 一級轉輪除濕系統(tǒng)各空氣處理狀態(tài)點參數(shù)表

       以下列舉兩個典型的轉輪除濕空調系統(tǒng)除濕流程及在焓濕圖上的處理過程進行說明。需要說明的是，本項目根據(jù)建設方輸入要求， 新風室外計算參數(shù)按照最不利情況t=36℃，φ=80%進行設計，另外，本項目無集中熱源，因此轉輪再生熱源均采用電加熱。

       1）正極極卷庫，該房間溫濕度需求為：溫度23℃±5℃，相對濕度≤20%，潔凈度ISO8級，該房間無工藝排風需求。根據(jù)負荷計算，該空調系統(tǒng)總送風量為22400m3/h，新風量為3360m3/h。根據(jù)其工藝需求，本空調系統(tǒng)采用一級轉輪除濕機組處理即可滿足使用需求，其空調機組處理流程圖如圖3所示，空氣處理過程焓濕圖如圖4所示，各空氣處理狀態(tài)點的參數(shù)如表2所示，轉輪除濕機的配置參數(shù)如表3所示。

表3 一級轉輪除濕系統(tǒng)轉輪除濕機參數(shù)配置表

       2）干燥間，該房間溫濕度需求為： 溫度23℃±5℃， 露點≤-30℃， 潔凈度ISO8級，無工藝排風。根據(jù)負荷計算，該空調系統(tǒng)總送風量為15940m3/h，新風量為4980m3/h，根據(jù)其工藝需求，本空調系統(tǒng)采用一級轉輪處理很難滿足使用需求或使用一級轉輪處理性價比較低，因此該低濕空調系統(tǒng)采用二級轉輪除濕機組， 其空調機組處理流程圖如圖5所示，空氣處理過程焓濕圖如圖6所示，各空氣處理狀態(tài)點的參數(shù)如表4所示，轉輪除濕機的配置參數(shù)如表5所示。

圖5 二級轉輪除濕機組方案流程圖

圖6 二級轉輪除濕機組方案焓濕圖

表4 二級轉輪除濕系統(tǒng)各空氣處理狀態(tài)點參數(shù)表

表5 二級轉輪除濕系統(tǒng)轉輪除濕機配置參數(shù)表

五、低濕空調系統(tǒng)節(jié)能分析

       轉輪除濕系統(tǒng)具有可獨立除濕、低濕下仍有良好除濕效果和將空氣處理到較低露點的優(yōu)勢。此外，轉輪除濕可與常規(guī)空調系統(tǒng)復合成轉輪除濕空調系統(tǒng)，實現(xiàn)溫濕獨立控制，避免常規(guī)空調系統(tǒng)溫濕聯(lián)控弊端， 提高能源利用效率，提升被控空間的空氣品質及控制精度等優(yōu)良性能，轉輪除濕空調系統(tǒng)也因此在實際應用中受到極大重視。 但是，轉輪除濕空調系統(tǒng)結構復雜、運行費用高、除濕過程中空氣溫升較大及需要對送風進行冷卻等限制，而且輪轉除濕存在再生過程，不同的再生方式對空調系統(tǒng)運行經濟性能有重大影響，采用加熱再生則面臨著加熱熱源提供及選擇的難題。以本項目為例，所有低濕空調系統(tǒng)再生電加熱量總功率約為5900kW，所有低濕空調機組均全年無休運行，每天單是再生電加熱一項的運行費用就大約為21.36萬元，運行費用極高。

       鑒于上述原因，轉輪除濕空調及吸附再生方式受到了眾多學者關注，最近幾年國內外轉輪除濕空調系統(tǒng)形式和性能、轉輪除濕性能及吸附劑再生方式等方面進行了研究。

       在鋰電池生產廠房整套工藝流程中，有些工藝環(huán)節(jié)產生大量的廢熱。其中最主要的有：

       1）涂布工序：將混合好的漿料涂覆在正負極集流體上，在涂布機內通過高溫烘烤干燥去除漿料中的溶劑，使得固體物質很好的粘結在基材上，同時將高溫廢氣排出室外。涂布機加熱熱源通常為電加熱或導熱油等。其排氣溫度可達約100℃。

       2）定容化成工序： 在化成柜或定容柜對電池體進行充放電測 試的工藝流程。設備排風溫度約50℃~60℃。當采用風冷空壓機作為壓縮空氣氣源時，空壓機的排氣溫度達到70℃~80℃。

       因此，在今后的空調系統(tǒng)設計中，可利用工藝設備持續(xù)產生的廢熱，減小轉輪除濕空調機組再生加熱耗電量。降低鋰電池生產廠房中大量轉輪除濕機組的運行能耗。

六、結語

       該工程目前已竣工并投入使用，各低濕潔凈空調系統(tǒng)的溫度、濕度、潔凈度、正壓、噪聲等參數(shù)均達到設計要求，運行良好。本文介紹了鋰電池生產廠房內低濕潔凈間的空調系統(tǒng)的設計過程，可為以后進行類似廠房的設計提供參考。以上方案由中國航空規(guī)劃設計研究院 趙磊編寫。

       在新能源鋰電、光伏領域，合景凈化工程公司已服務了眾多行業(yè)百強企業(yè)工業(yè)廠房潔凈車間建設，其中包括比亞迪、億緯鋰能、贛鋒鋰業(yè)、久森新能源、楚能、西丹孚電池等等；2022年第一季度，合景凈化工程公司已成功簽訂2家鋰電企業(yè)大型廠房建設，如需了解更多，請電聯(lián)合景凈化。

       合景智慧建設(廣東)有限公司作為機電凈化工程、辦公室裝修工程建設EPC總承包行業(yè)標桿企業(yè)，20余年行業(yè)專注，以創(chuàng)新工藝技術、完整的產業(yè)鏈和完善的服務體系，在電子工業(yè)、新能源電池、醫(yī)療器械、生物制藥、食品日化等多領域建設了無數(shù)優(yōu)質項目，好評如潮。