锂锰电池制造过程中的除湿工艺设计
2017-02-02丁建武
彭 昂，丁建武
锂锰电池制造过程中的除湿工艺设计
彭 昂，丁建武
（武汉船用电力推进装置研究所， 武汉 430064）
基于锂锰电池制造过程中的除湿工艺需求及合理的除湿系统配置，以实例对电池制作过程中的除湿工艺进行了设计计算，达到生产环境需求，为除湿设备选型提供有力的理论依据。
锂锰电池 除湿工艺 设计计算
0 引言
锂锰电池是锂/二氧化锰电池的简称，其正极活性物质是二氧化锰，负极为电池级金属锂，是一种典型的有机电解质电池。锂锰一次电池与其他一次电池相比，具有比能量高、比功率大、工作温度范围宽和低温性能好等优势。
水分的失控或粗化控制，导致电池中水分的超标，破坏电池性能，极易产生鼓气、内部微短路、电性能下降、寿命缩短等问题。不仅会导致电解质锂盐的分解，而且对正负极材料的成膜和稳定性产生恶劣影响，导致锂电池的电化学特性产生较为明显的恶化。因此，生产工序含水量的控制对锂电池的安全和性能产生至关重要的影响。对于锂锰电池，由于负极为金属锂，活性极高，遇水会发生剧烈反应，电芯组装制作全工序更应采用深度除湿保证空气的相对湿度小于1%，露点湿度小于-45℃。在非常干燥的条件下，极大地降低了极片和电解液的吸水几率。
转轮除湿机的蜂巢式除湿转轮采用陶瓷纤维为基材，把吸附剂硅胶均匀长在基材上，使其具有极强的吸湿能力，湿空气通过蜂巢式除湿转轮中的吸湿剂后成为超低露点的空气。
1 工艺要求
根据锂电池生产工艺，该车间需要严格控制空气湿度的区域为干燥房和手套箱，具体空气环境参数见表1。根据工艺要求，干燥房和手套箱共用一套超低露点转轮除湿机组。
表1 锂电池生产车间工艺要求
2 除湿方案设计
2.1 方案参数设计
2.1.1送风量设计
1）手套箱送风量：对于超低露点干燥环境的手套箱，按照换气次数60次/h[1,2]计算送风量，可计算手套箱送风量为：
2）干燥房送风量：
干燥房产湿量计算公式为：
1为干燥房要求含湿量，露点湿度为-45℃空气含湿量为0.0432 g/kg；
2为干燥房送风含湿量，露点湿度为-65℃空气含湿量为0.003 g/kg；
干燥房产湿量：
式中：1为干燥房员工数量，人；
1为一名员工轻度劳动强度产湿量，取65g/h；
计算得干燥房产湿量为：
=2×65+0.5×25+33×2.2=215.1 g/h （4）
根据公式（2）（4）可计算干燥房送风量为：
= 4460 m³/h （5）
由于该车间工艺要求较高，所以，系统干燥房送风量整体考虑取5000 m³/h。
因此，总送风量为
2.1.2新风量设计
由于手套箱内含有腐蚀性气体（电解液挥发物），会腐蚀转轮，因此手套箱采用全排风方式。
因此，新风量为
2.1.3除湿系统运行流程及各状态点参数
根据上述计算，配置1套组合式超低露点除湿机组，送风量为5800 m³/h，空气除湿处理系统流程为：室外新风（A）经过初级过滤后进入新风表冷器进行一级冷冻除湿，得到低温饱和湿空气（B），经一级转轮除湿至状态C，再与干燥房回风（K）混合至状态D，经二级过滤和前表冷后至状态E，干燥空气E的一部分（F）用于转轮再生，另一部分经二级转轮除湿区后至状态G，通过后表冷加热器加热后送至干燥房和手套箱进行热湿交换，干燥房全回风K再与状态C新风混合循环处理。
以上系统各点空气状态参数见表2，处理空气热湿过程线见图1，气流路径见图2。
3 除湿设计能力核算
3.1 干燥房除湿设计能力核算
干燥房产湿量1：
表2 空气状态参数
注：转轮参数采用优利美转轮除湿公司提供的资料。
图1 空气处理热湿过程线图
图2 除湿机组空气处理流程图
人员产湿量人：20℃温度时，人员轻度劳动强度产湿量为（60-80 g/h.人）[2]，人=65 g/h/人×2人=130 g/h。
进出产湿量进：进出次数按照2 h/次，每次带入湿度20~25 g/h，进=12.5 g/h
房间散湿量房：低湿干燥间湿负荷按2.0~2.5 g/h/m3计算产湿量计算，房=2.2 g/h/m3×33 m3=72.6 g/h
因此，1=人+进+房=130+12.5+72.6=215.1 g/h
干燥间除湿能力2：干燥间除湿能力为干燥间送风和回风湿度差，即
=5000×1.2×（0.0432-0.003）=241 g/h
根据上述计算可知，2>1，说明该设备除湿能力能够满足干燥间除湿要求，余量设计风量用于满足操作工人的新风量（20-50 m3/h.人）和维持房间正压需求（5-10 Pa），保证干燥系统的湿度梯度。
3.2手套箱除湿设计能力核算
手套箱产湿量3：低湿干燥间湿负荷按2.0~2.5 g/h/m3计算产湿量计算
3=2.2 g/h/m3×14m3=30.8 g/h
手套箱除湿能力4：手套箱除湿能力为手套箱送风和回风湿度差，即
=800×1.2×（0.0432-0.003）=38.6 g/h
根据上述计算可知，4>3，说明该设备除湿能力能够满足干燥间除湿要求。
4 实际运行情况
经过以上的工艺设计计算，最终选用一套风量为5800 m3/h的超低露点转轮除湿机，干燥间送风量5000 m3/h，采用全回风循环，手套箱送风量800 m3/h，采用全排风方式。经过半年的运行，设备整体动态运行满足工艺需求，设计计算对除湿机组选型具有很强的实际指导意义。
5 结语
转轮除湿系统在锂锰电池生产过程的水分控制具有很好的应用效果。通过以上对锂锰电池生产车间除湿工艺的设计计算分析，我们看到，除湿工艺设计计算对设备选型具有很强的实际指导意义。
随着近年锂电池厂房的不断增多，特别是新能源汽车的强势兴起，各种锂电池生产车间的要求也越来越多，转轮除湿应用的范围也越来越广泛。对于不同要求、不同领域的除湿系统设计，在除湿系统复杂多变的情况下，我们要认真分析，详细进行设计计算，提供合理、经济的除湿系统方案。
[1] 江亿等. GB 50019-2003, 采暖通风与空气调节设计规范[S]. 2003.
[2] 电子工业部第十设计研究院. 空气调节设计手册[M]. 第二版. 北京: 中国建筑工业出版社, 1995.
Dehumidification Technology of Lithium Manganese Battery Manufacture
Peng Ang, Ding Jianwu
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China )
TM911.14
A
1003-4862（2017）12-0066-03
2017-09-29
彭昂（1985-），男，工程师。研究方向：化学电源设计与研究。E-mail: 343303649@qq.com
