浅谈锂电池洁净厂房设计关键点

浅谈锂电池洁净厂房设计关键点

任秀存

合景智慧建设（广东）有限公司

摘要：随着城市化进程的不断推进，在全球新能源汽车的大力推广下，中国的新能源汽车也开始爆发式增长，再加上移动设备数量快速增长，锂电池的需求也快速攀升，我国锂电池产业保持稳健增长势头的今天，对锂电池洁净厂房环境的控制要求需要也越来越高。由于锂电电池的特殊性，在锂电池生产过程中对环境的要求更为严谨，若环境要求不达标，直接会导致电池不合格，也导致锂电池鼓包甚至爆炸，埋下极大的安全隐患。

关键词：电子厂房；锂电池；洁净厂房;低露点；转轮除湿：电解液车间

引言

锂电池的生产工艺比较复杂，主要生产工艺流程主要涵盖：前段的电极制作的搅拌涂布阶段，中段的电芯合成的卷绕注液阶段以及后段的化成封装的包装检测阶段，尤其是对中段的组装车间及注液车间的低露点环境管控尤为重要。锂电池洁净厂房空间大，能耗较大，作为一个设计人员对洁净厂房设计过程中的节能减耗和成本的控制也是关键点，另外一个关键点就是锂电池厂房对电解液车间作为中间仓库属危化品车间，设计时需严格按照国家规范设计。

一、锂电池洁净厂房工艺生产设备对环境的要求

工艺生产的需求决定了对洁净室环境的要求，一般的洁净室厂房无论是工业洁净室、生物洁净室、食品药品洁净室厂房，主要的管控参数有四点，洁净度（微生物、尘埃粒子等）、压差、温度、湿度。锂电池洁净厂房对环境的要求更为特殊，尤其是对洁净室湿度的要求最为重要， 从锂电池工艺产线的正负极混料、正负极涂布、正负极制片、卷绕/叠片、装配、注液、高温浸润、化成、分容、Pack等，都需要不同环境管控。目前国内大部分锂电池洁净厂房生产工艺对洁净度要求一般是万级、十万级，后段对洁净度无要求；对温度的要求一般是23+2°C(除了高温房）；湿度，其他电子厂房的湿度要求55+5%即可，但锂电池厂房对湿度要求极为关键，正负极前段工艺湿度要求≤30%，卷绕/叠片、装配工艺段对湿度的要求为≤30%，注液、电芯烘烤车间的湿度要求最为严苛，一般露点温度要做到≤-45°，普通的风柜除湿只能除湿到45%，低于40%的环境要求需要转轮除湿机才能达到所需的低露点温度。

二、锂电池洁净厂房设计步骤

1.前期准备：业主要求、工艺建筑要求、低露点区人员数量、规范标准、场地要求

2.系统划分与选择：正负极系统必须独立

3.计算选型：组合式空调器、转轮除湿机加、排风机/事故排风机、高效过滤器等

4.设备布置：大部分锂电池为钢构厂房，对于空间有限的厂房来说可放置于二次钢构品台

5.末端布置

6.管道布置：对于湿度≤1%的区域，风管需要304不锈钢满焊，以保证管道的密闭性

注：因正极材料为铝粉，负极为铜粉和石墨，前段正负极系统设计不可设计同一个系统，正负极材料混合，严重的会引起锂电池的鼓包及爆炸，这对设计人员来说不但有专业的设计能力，还有要从成本控制节能减耗考虑，要从安全性和经济性相结合才是最优的设计。

三、环境控制的关键点-除湿净化

净化车间设计应顺应工艺(或使用)流程，合理选择各类设备和装置，尽力实现人流和物流的平稳快速，气流型选择适当，净化空调系统合理配置，针对特殊区域要求采取技术措施。锂电池洁净厂房生产工艺各工序对温度、湿度、洁净度等的需求，是由配套的环境控制设备和动力设备提供；环境控制系统：指维持各功能车间生产所需要的控制车间温度、湿度、洁净度等一系列系统的综合；环境控制系统主要有冷冻水系统、末端空调系统、除湿系统、洁净系统；动力系统：指能够实现能量的转换，并且给主设备提供能量的系统；动力系统主要有蒸汽锅炉系统；压缩空气、真空、氮气系统； NMP回收系统；工艺冷却水（PCW）系统；DI水系统；其中除湿系统在锂电池厂房环境控制中为关键点之一，除湿系统是空气中的水分在除湿机吸湿区被除掉后，由鼓风机将干燥后的空气送入室内；通过安装冷气设备或加热器的方式，对除湿机出口的干燥空气进行冷却或加热，保持温度稳定。

      锂电池洁净厂房与其他常规行业的洁净厂房最大的不同点是锂电池车间对湿度特殊的要求，根据各个生产用区域的环境需求控制温湿度，严格控制水分。一般的空调机组等湿降温无法达到湿度低于≤40%的要求，所以空调处理机组必须有转轮段才能保证环境的低露点温度。在前期的设计中，低露点区域设计起决定性因素有除湿机本身的除湿能力、操作人员的数量、输送管道和围护结构的密闭性、生产车间的管理和外界环境。其中转轮除湿机对生产环境所需的低露点起到至关重要的一点。

转轮除湿系统为一种组合式机组，具有新风冷却和转轮除湿段及空气的后处理段。室外新风预冷段与换热器表面（内部通冷冻水）接触，空气被冷却降温的同时，空气中水份被冷凝出来，完成了预除湿，然后与房间回风混合后通过换热器进行二次降温，之后进入转轮进行深度干燥：吸附除湿，从转轮出来的空气虽然很干燥，但是温度会略微偏高，因此还需要交由后表冷器进行再次降温处理，最后温度、湿度均满足要求的空气，会由送风机送往干燥车间（附流程图）。

★ 新风冷却除湿原理

由于空气在不同的温度及能量下，所能容纳的水分是不同的，空气中的水分含量随着空气温度的降低而减小。当室外空气通过新风表冷器时，空气被冷却降温，随着温度的降低，空气中的水蒸汽逐渐凝结，并达到饱和状态，当空气的露点继续降低时，空气的中的水蒸汽就变成凝结水并析出，从而空气中的绝对含水量得到降低，空气实现了除湿过程。

★ 吸附式转轮的除湿原理

除湿转轮在除湿段内部由密封系统分为处理区域和再生区域，除湿转轮以 4~10 转/小时的速度缓慢旋转，以保证整个除湿为一个连续的过程。

转轮分为除湿区和再生区。需处理的潮湿空气由处理风机送入转轮除湿区，空气中的水份被吸附剂吸附，得到干燥气流；同时再生空气经加热后通过转轮再生区，将吸附剂内的水份解吸出来并带走,恢复吸附剂的吸湿能力。转轮缓慢旋转，整个过程为一反复除湿与再生的周期性过程，确保了连续的除湿效果。

四、危品仓电解液车间设计的注意要点

电解液性能的好坏直接关系到电池的容量、使用寿命等性能。根据电解液的存储量设计电解液储存间的位置，若存放量少一般会近放置于注液车间附近，若储存量大电解液储存间防止靠外墙的位置。根据中华人民共和国《建筑设计防火规范》GB50016-2014（2018版）《锂电池工厂设计规范》GB51377-2019《电子工业洁净厂房设计规范》GB50472相关规定和国家标准，在危化品中间仓库设计的过程中要做到一下几点：

1、电解液储存间靠外墙布置，应设置防泄漏设施、泄压设施，并应采用不发生火花的防静电地面。

2. 房间采用200厚轻质砖墙体(耐火4H) 围闭，设置甲级消防门和事故应急门；

3. 屋顶采用钢结构混凝土顶面，室内设置自动排烟、排风系统; 就近设置紧急洗眼器；

4. 室内安装可燃气体泄漏报警装制，24小时进行监管；

5. 室内配备悬挂式自动干粉灭火器；

6. 室内安装防爆摄像头，进行24小时监控；

7. 室内安装防爆空调，进行环境温度监控；

8.地面做不发火处理，并设置防泄漏事故应急池；

9.入口出安装静电消除设施，预防静电引起的事故；

10.根据生产实际使用量储存当班当量（≤2吨）。

结语： 近年来，随着环境保护、节能减排政策的实施，以及碳达峰碳中和的大背景下，全球锂电池需求量与动力电池占比将均稳步上升。对锂电池生产车间生产的洁净车间的要求也越来越高。

参考文献：

[1] GB 50073-2013. 洁净厂房设计规范[S]. 2013

[2] 微电子厂房暖通空调设计方案对比探讨[J]. 罗丽萍.  江西建材. 2017(13)

[3] 某芯片生产厂房净化空调设计[J]. 马海龙.  暖通空调. 2018(08)

[4]高大洁净厂房分层空调系统的设计[J]. 冯宝岳,陈之曰,郝军,满孝新.  暖通空调. 2001(02)