磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)廠房潔凈車間設(shè)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(chǎn)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(guān)項目。當(dāng)前鋰離子電池的研發(fā)與應(yīng)用，已成為現(xiàn)階段的焦點技術(shù)。

       鋰電池廠房生產(chǎn)過程中，對空氣濕度要求很高。但是在實際生產(chǎn)過程中，有的生產(chǎn)單位沒有做好相應(yīng)的除濕工作，無法保證產(chǎn)品的實際質(zhì)量，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對企業(yè)發(fā)展產(chǎn)生極為不利的影響。因此，為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，合景智慧建設(shè)(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(chǎn)工序及針對鋰電池廠房空調(diào)除濕系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析和論述，并提出相應(yīng)的設(shè)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(fù)極材料、 使用非水電解質(zhì)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(jì)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(xué)技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)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(fù)極之間反復(fù)進(jìn)行脫出和嵌入的二次電池。鋰離子電池一般以石墨為負(fù)極材料、鋰合金金屬氧化物為正極材料、使用非水電解質(zhì)，其性能主要取決于正負(fù)極材料。目前市場上負(fù)極區(qū)別不大， 應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(guān)重要的影響，水分是鋰離子電池生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制的關(guān)鍵因素。水分對鋰離子電池首次放電容量、內(nèi)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(nèi)阻變大，循環(huán)衰減嚴(yán)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(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)都需要嚴(yán)格控制水分。

1 .3 項目簡介

       本項目年產(chǎn)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(diào)系統(tǒng)所占面積約為32000㎡ 。

二、鋰電池產(chǎn)品生產(chǎn)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(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)環(huán)境要求如圖2所示。

圖2 典型磷酸鐵鋰電池體系生產(chǎn)公司流程及生產(chǎn)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(chǎn)廠房對于空調(diào)系統(tǒng)的濕度需求分為以下三類：

       1）普通濕度需求空調(diào)房間，如負(fù)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(diào)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(fù)極輥壓間、負(fù)極分條間、負(fù)極模切間以及負(fù)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(zhuǎn)輪除濕機組處理后來滿足使用需求，機組中設(shè)置一級轉(zhuǎn)輪。

       3）低露點濕度需求空調(diào)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(zhuǎn)輪除濕機組很難滿足工藝需求，工程中一般設(shè)置兩級轉(zhuǎn)輪除濕段對房間空氣進(jìn)行處理，以滿足使用需求。

三、鋰電池生產(chǎn)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(yīng)用中， 單一除濕技術(shù)很難滿足要求， 而且從節(jié)能角度考慮， 多種除濕技術(shù)聯(lián)合使用能綜合各種技術(shù)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(zhuǎn)輪除濕。 在空調(diào)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(yán)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(dá)到所控制的濕度要求，并會出現(xiàn)冷凝結(jié)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(jìn)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(jìn)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(nèi)，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(jìn)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(fēng)進(jìn)行降溫除濕）。而后再通過后加熱補償?shù)姆绞?，重新控制室?nèi)的溫度要求，浪費了大量的能源。而采用轉(zhuǎn)輪除濕機進(jìn)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(zhuǎn)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)除濕的設(shè)備。轉(zhuǎn)輪除濕機的核心結(jié)構(gòu)為一不斷轉(zhuǎn)動的蜂窩狀干燥轉(zhuǎn)輪，它是除濕機吸收水分的最關(guān)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(fù)合而成，其蜂窩狀的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)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(zhuǎn)輪除濕。

四、鋰電池生產(chǎn)廠房典型低濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計鋰電池生產(chǎn)廠房低濕空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)送風(fēng)量應(yīng)按以下計算結(jié)果中的最大值選?。?/strong>

       1）根據(jù)生產(chǎn)車間冷、熱負(fù)荷計算得出的送風(fēng)量。

       2）根據(jù)生產(chǎn)車間濕負(fù)荷計算得出的送風(fēng)量。

       3）為滿足生產(chǎn)車間潔凈需求計算得出的送風(fēng)量。

       4）根據(jù)生產(chǎn)車間工藝排風(fēng)計算得出的送風(fēng)量。

       5）《鋰離子電池工廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 GB 51377 推薦的低濕房間所需的換氣次數(shù)計算得出的送風(fēng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)除濕流程及在焓濕圖上的處理過程進(jìn)行說明。需要說明的是，本項目根據(jù)建設(shè)方輸入要求， 新風(fēng)室外計算參數(shù)按照最不利情況t=36℃，φ=80%進(jìn)行設(shè)計，另外，本項目無集中熱源，因此轉(zhuǎn)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(fēng)需求。根據(jù)負(fù)荷計算，該空調(diào)系統(tǒng)總送風(fēng)量為22400m3/h，新風(fēng)量為3360m3/h。根據(jù)其工藝需求，本空調(diào)系統(tǒng)采用一級轉(zhuǎn)輪除濕機組處理即可滿足使用需求，其空調(diào)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(zhuǎn)輪除濕機的配置參數(shù)如表3所示。

表3 一級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(fēng)。根據(jù)負(fù)荷計算，該空調(diào)系統(tǒng)總送風(fēng)量為15940m3/h，新風(fēng)量為4980m3/h，根據(jù)其工藝需求，本空調(diào)系統(tǒng)采用一級轉(zhuǎn)輪處理很難滿足使用需求或使用一級轉(zhuǎn)輪處理性價比較低，因此該低濕空調(diào)系統(tǒng)采用二級轉(zhuǎn)輪除濕機組， 其空調(diào)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(zhuǎn)輪除濕機的配置參數(shù)如表5所示。

圖5 二級轉(zhuǎn)輪除濕機組方案流程圖

圖6 二級轉(zhuǎn)輪除濕機組方案焓濕圖

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

表5 二級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕機配置參數(shù)表

五、低濕空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析

       轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪除濕可與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)合成轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)溫濕獨立控制，避免常規(guī)空調(diào)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(zhì)及控制精度等優(yōu)良性能，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)也因此在實際應(yīng)用中受到極大重視。 但是，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行費用高、除濕過程中空氣溫升較大及需要對送風(fēng)進(jìn)行冷卻等限制，而且輪轉(zhuǎn)除濕存在再生過程，不同的再生方式對空調(diào)系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)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(diào)系統(tǒng)再生電加熱量總功率約為5900kW，所有低濕空調(diào)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(zhuǎn)輪除濕空調(diào)及吸附再生方式受到了眾多學(xué)者關(guān)注，最近幾年國內(nèi)外轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)形式和性能、轉(zhuǎn)輪除濕性能及吸附劑再生方式等方面進(jìn)行了研究。

       在鋰電池生產(chǎn)廠房整套工藝流程中，有些工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)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(fù)極集流體上，在涂布機內(nèi)通過高溫烘烤干燥去除漿料中的溶劑，使得固體物質(zhì)很好的粘結(jié)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?qū)嵊偷?。其排氣溫度可達(dá)約100℃。

       2）定容化成工序： 在化成柜或定容柜對電池體進(jìn)行充放電測 試的工藝流程。設(shè)備排風(fēng)溫度約50℃~60℃。當(dāng)采用風(fēng)冷空壓機作為壓縮空氣氣源時，空壓機的排氣溫度達(dá)到70℃~80℃。

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

六、結(jié)語

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

       在新能源鋰電、光伏領(lǐng)域，合景凈化工程公司已服務(wù)了眾多行業(yè)百強企業(yè)工業(yè)廠房潔凈車間建設(shè)，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(shè)，如需了解更多，請電聯(lián)合景凈化。

       合景智慧建設(shè)(廣東)有限公司作為機電凈化工程、辦公室裝修工程建設(shè)EPC總承包行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)，20余年行業(yè)專注，以創(chuàng)新工藝技術(shù)、完整的產(chǎn)業(yè)鏈和完善的服務(wù)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(lǐng)域建設(shè)了無數(shù)優(yōu)質(zhì)項目，好評如潮。