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一些不得不了解的锂电池工厂辅助设备

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  咱要说的,是相当重要的辅助设备,电芯的制造设备,伴随着前期的工艺介绍,我已有所阐述,但是这些辅助设备的动力来源、运行状态,一定程度上决定了一个工厂的现代化、自动化水平,且很大程度影响了电芯制造的品质。

  我想把它们主要分为两类,公共设备和物流设备。而公共设备我又分为动力设备和环境控制设备。以下,我们来说说这些维持工厂正常运转的设备。

  动力设备,我的理解为能够实现能量的转换,并且给主设备提供能量的设备,分为动力发生设备(蒸汽锅炉、汽油机、发电机等)、动力输送设备(变压器、配电盘、整流器等)、动力消耗设备(电动机、电炉、电气器械等)。以下,我们就单个设备功能做简要介绍。

  其实不只是电池厂,很多工厂都有这个设备,锅炉在“锅”与“炉”两部分同时进行,水进入锅炉以后,在汽水系统中锅炉受热面将吸收的热量传递给水,使水加热成一定温度和压力的热水或生成蒸汽,被引出应用。在燃烧设备部分,燃料燃烧不断放出热量,燃烧产生的高温烟气通过热的传播,将热量传递给锅炉受热面,而本身温度逐渐降低,最后由烟囱排出。

  而我们电池企业,主要取其高温蒸汽,经过处理,常用到涂布机极片烘干上,老化房,除湿机上面。

  压缩空气可以用空压机制作,空气具有可压缩性,经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。压缩空气是一种重要的动力源。与其它能源比,它具有下列明显的特点:清晰透明,输送方便,没有特殊的有害性能,没有起火危险,不怕超负荷,能在许多不利环境下工作,空气在地面上到处都有,取之不尽。

  而此处提压缩空气,是因为他的使用,可以说在现在自动化车间,相当的广泛。几乎贯穿了全线,特别是物流线,放行或者阻拦的设备,带有气缸控制,结合电磁阀,能够高效的完成机械动作,还能实现节能环保。我们电池车间的物流线托盘提升机、机械手抓取电池、物料传送都可以使用压缩空气实现控制。

  如果说压缩空气是对空气的压缩,那么真空则是对空气的抽取。此处我们使用的是真空泵,真空泵是指利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。通俗来讲,真空泵是用各种方法在某一封闭空间中改善、产生和维持真空的装置。

  很多时候,我们的工步都是在真空状态下进行的,特别是锂离子动力电池生产车间,合浆需要抽真空,消除罐体空气,避免气泡产生,影响涂布效果:激光焊接完后,为了检测电池的气密性,也需要抽真空,通过保压后检测气压压降,来判断是否漏气;高温隧道炉,为了置换电池内部的空气,使电池烘烤效果更好,隧道炉内会进行抽真空,能更好的烘干极片中的水分;注液,注液的工步即是抽真空注液,能够较好的保证注液质量;负压化成,锂电池在化成过程中会产生大量气体,需要对电池进行抽真空,减少析锂的可能性。

  制氮机,是指以空气为原料,利用物理方法将其中的氧和氮分离而获得氮气的设备。我们通常需要的是氮气,氮气是一种惰性气体,化学性质不活泼。

  在电池工厂,需要氮气的地方也很多,基本上很多有抽真空的地方,都有氮气的需求。对于氮气的作用,我在之前写激光焊接时候也有说过,在激光焊接时,主要起保护作用,一定程度上阻挡热量外散、焊渣飞溅、中和部分离子;使用在真空高温隧道炉、注液房、化成室里面的氮气,主要是用于破真空、加快热传导等功能,破真空应该很好理解,电池在抽真空后,你看到的电池可能是瘪的,内部气压远远小于外部,此时,为了避免对电池,对设备造成损害,充入氮气维持气压,使内外气压大体持平。

  氦气用的比较少,但是因为真空测气密性,近些年来,检测的漏判、错判并不理想,所以现在有使用氦气来检测电池密封性能。能精确泄露值可以到1pa左右。不过使用量较少,故而多是外购,不需专门的制造氦气的设备。

  总所周知,锂电池生产对环境要求很严格,保持较低的水分含量、合适的温度、较低的洁净度等是一个车间应有的基本要求。

  所谓环境控制设备,是指维持车间生产生产所需要的控制车间温度、湿度、洁净度等一系列设备的综合。结合锂电池工厂,主要有NMP回收系统、除湿机、除尘机、空调、水(纯水、冷冻水、冷却水),以下一一概述。

  翻开工厂的工艺文件,在正极合浆工序,你会看到加入打胶所需的NMP,再加入PVDF打胶 ,加入正极主材和导电剂,充分搅拌,然后合浆完成。在涂布工序,经过烘箱,把NMP回收,经过处理的气体才可排到空气中。

  用过的,脏废的N-甲基吡咯烷酮因其沸点比较高,所以不能采用直接回收方法,可以通过溶剂回收系统,经线℃可以将NMP回收,残余的NMP聚合物及杂质排出系统送电厂焚烧处理,保证了回收品质和废弃物的处理,提高回收安全系数。常见的有冷冻式和转轮式回收系统。

  冷冻回收式,利用冷却水和冷冻水盘管使得NMP从空气中冷凝出来,然后通过收集提纯达到回收目的.废气被浓缩到一定的浓度后,利用冷冻法就可以使NMP冷凝回收。

  转轮回收式,VOC转轮采用日本西部技研分子筛转轮,转轮被分隔成3个区域,一个是处理区、一个是冷却区、一个是脱附区,VOC转轮在工作过程中缓慢的旋转,含有有机溶剂需要处理的气体从处理区流过后变成相对干净的气体,处理后的气体中有机溶剂的含量最低可降至50ppm以下。另一部分含有机溶剂的空气在再生风机的作用下从冷却区流过,然后被加热到一定的温度后,从转轮再生区域流过,由于转轮再生区域被再生空气加热,吸附在再生区域的有机溶剂蒸发出来随再生空气带走。转轮工作时,再生空气与处理空气的比例在1/5(浓缩倍数5倍),再生空气中有机溶剂的浓度可以是处理前浓度的5倍。

  冷冻式回收能耗相对较低,转轮式能耗较高,但是比较环保,废气处理过后可直接排放到大气中。

  一般可分为民用除湿机和工业除湿机两大类,属于空调家庭中的一个成员。通常,常规除湿机由压缩机、热交换器、风扇、盛水器、机壳及控制器组成。

  其工作原理是:由风扇将潮湿空气抽入机内,通过热交换器,此时空气中的水分子冷凝成水珠,处理过后的干燥空气排出机外,如此循环使室内湿度保持在适宜的相对湿度。

  锂电池车间对湿度要求严格,湿度我们有一个相对湿度(RH)和露点(℃)来表示,在一定温度下,两者可以换算。在锂电池车间,不要求湿度时,正常的40%-50%RH即可,但是注液房、高温老化房,需控制在-60℃露点,严格控制水分。

  锂电池生产中,会有极片裁切、粉料掉落,人员走动,也会带动粉尘飘动,而粉尘,特别是金属粉尘、颗粒,落到电池极片中,会增加锂电池短路的风险,也是锂电池自放电加快的一个重要的原因。

  除尘机,除了某些设备自带集尘除尘功能外,比如激光切割机,会对切过后的粉尘进行收集,并排放到室外,但大部门设备不带除尘功能,需要其他几种除尘设备。锂电池厂常用的则是FFU除尘系统,洁净度我们通常用等级来表示,比如常用的100000级,10000级,数字越小,洁净度越高。

  FFU英文全称为(Fan Filter Unit),中文为风机过滤机组。FFU设有初、高效两级过滤网。风机从FFU顶部将空气吸入并经初、高效过滤器过滤,过滤后的洁净空气在整个出风面以0.45M/S±20%的风速匀速送出,可多台串联,达到净化空气的效果。FFU工作时间长,低噪声、免维护、震动小、可无级调速,风速均匀,安装方便等。

  车间空调最大特点在于省电环保,同时具备出色的降温效果。车间空调主要分为水冷空调和水蒸发空调机(湿帘冷风机),水冷空调的降温原理是:水份蒸发时带走周围的热量,从而使空气的温度降低。适用范围主要是对要求湿度较高的场所(如纺织、种植等),设计时可采用部分室内安装。

  将车间温度控制在人体适宜的范围内,可以让员工的注意力更加集中,心情愉悦。使得产品在生产效率还是质量方面都有很好的提升。适宜的温度环境,设备产生的热量被及时的吸收或排出,让设备一直维持在稳定地温度环境下,可以增加生产设备的使用寿命,无形中为企业节省下一笔维修和更新的费用。

  虽然锂电池惧水,但是生产却离不开水,常用的地方有负极涂布时需去离子水用于合浆,为维持温度稳定,需要冷却水循环。

  冷却水和冷冻水,不只是温度上的差异,在功能上也有所差异。冷却水,是指用于循环,达到带走热量,降温的目的,设备在运行过程中会产生热量,热量过大会损坏设备,故而需冷却水循环,带走热量,维护设备。冷冻水则是具有降温的功能,常常在空调机组末端,用于降低温度所用。

  锂电池工厂通常需要使用纯水制备机组和冷水机组。纯水制备机组,用于制备去离子水,电导率达到我们的要求后,才可用于锂电池负极浆料混合、锂电池清洗等工序。冷水机组多是用于空调等系统,达到降温、去热的效果。

  转运工具,在锂电池车间主要是负责原材料运送、极片运送工作,常用的转运工具有电动的和液压的叉车、升降车、缓存架、平板推车、AGV小车。在自动化程度不是很高的工厂,或者中间运输环节出现故障的时候,我们可以使用这些设备来运输。如从合浆到涂布一般是管道运送,如果管道出了故障,需由叉车运输转运浆料桶到涂布区域,不耽误正常生产。

  之所以单独提出来托盘,是因为托盘在电池厂中担负了所有半成品电芯和成品电芯的转运、储存功能。一个合适的托盘,可以对电芯起到很好的承载和保护作用。我曾经见过满载电芯的托盘从3米高的架子上跌落,托盘完好无损,电池也没有泄露出来,倒是地面破损了些,也曾见识过托盘被提升机夹住,变形扭曲,挤压半小时后,还能继续使用。

  在锂电池车间需要最多的是在组装线和化成分容区域。组装线是小的托盘,一般运送的是一到两个卷芯,不直接运送电池,但是需注意对卷芯表面的保护以及托盘的清洁,卷芯在没有壳体保护下是非常脆弱的。化成分容区域托盘则是运送电芯,为了节约空间,加大效率,现在化成分容采用分层柜点式,一个柜子可同时对数十只电池同时进行充放电,靠人工搬运到高高的柜子上去并不现实。

  物流线,则是利用物流设备进行运输的系统的总和,托盘的运输,传送,都需要有一个路径,就像有秩序的在高速上开车一样,现在物流线的应用,极大地提高了工厂的效率,也是无人工厂的得力助手。

  锂电池车间的物流线,主要集中在了组装线后,从卷芯卷绕后,通过小的专用托盘运过去进行热压、贴胶、预焊、入壳、盖板焊接等工序。组装完成后,再通过物流线运送到化成、分容,刚才也有讲过,化成分容有可能是很高的立体柜子,此时就需要堆垛机把一盘盘满载的电池运送到各层柜点上去,结束后再运出来,通过物流线,运送到立体的库位存储,极大地提高了工厂的效率,减少了成本。

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