高温高湿环境下锂电池生产工艺流程中除湿方法研究

侯 丹邹 磊郭峻臣孙长富

1．深圳市怡岛环境空调工程有限公司

2．深圳市机关事务管理局

3．深圳市节能与资源综合利用专家联合会

0 引言

近几年以来，作为可移动式清洁能源，锂电池获得了广泛的运用。如电动汽车、电动自行车、无人驾驶飞机，等等。但作为元素周期表中排列第一的金属元素锂，其化学活泼性极其强烈，碰见水就能引起燃爆。因此，生产锂电池的工艺过程也是非常危险的，故对生产工艺过程中空气的水分含量有严格的要求。

1 锂电池生产车间环境要求

为了防止空气中的水分对锂电池的影响，锂电池生产线需要放于干燥房内。按照GB 51377-2019《锂离子电池工厂设计标准》［1］，对干燥房（Dry room）定义为：空气干球温度为25℃时，相对湿度为1%以下的房间。经查，此时的湿球温度约为8℃，d=0．2 g/kg干，水蒸气分压力0．4×102Pa，露点温度为-30℃。

通常情况下，如果空气中的湿度过低，相对湿度的变化已不能准确表达湿度的波动，此时通常用露点温度值的变化来反映湿度的波动。干燥房内露点温度分六档，分别为：-20℃、-25℃、-30℃、-40℃、-50℃、-60℃。因此锂电池干燥房中露点温度最大值应≤-60℃。几乎接近绝对干燥的湿度环境是为了保证锂电池的生产质量及生产过程的安全［1］。

2 锂离子电池厂房中生产工艺流程控制的关键——除湿

按照GB 51377-2019《锂离子电池工厂设计标准》［1］第9．4章空气调节与净化中要求，厂房内的空气洁净度等级、温度、湿度要求应满足生产工艺要求。当工艺无特殊要求时，温湿度应满足生产人员舒适性的要求。

况且在锂电池较长的工艺生产制造过程中，生产人员身上散发出比平时更多的湿气，必须要及时吹扫干净，否则会影响厂房空气中的湿气。因此，一般电池行业需选择稳定性好（能够连续运转）和除湿量大的机组，能产生在-50℃～-60℃露点（精确控制）范围的气体对洁净室内进行连续吹扫,使湿度、温度和洁净度都能符合生产要求。

按照GB 51377-2019《锂离子电池工厂设计标准》［1］，干燥房应进行严格的湿负荷计算，且散湿量应包括如下内容：

(1)人体散湿量；

(2)围护结构散湿量；

(3)原材料及包装材料散湿量；

(4)工艺过程的散湿量；

(5)各种潮湿表面的散湿量；

(6)渗透空气带入的湿量；

(7)新风带入的湿量。

在上述7项散湿量中，新风带入的湿量最大，也是最难以处理的。

3 常用的除湿方式及适用范围

我国目前常用的除湿方式有以下五种：

1）冷冻除湿：冷冻除湿机在工作时通过对空气中的水蒸气进行液化的过程降低空气中的水蒸气含量。冷冻除湿机的外循环，分为三个过程：第一个过程是通过风机把空间里的常温潮湿空气吸进机器。第二个过程是将吸进来的常温潮湿空气中的水蒸气通过（冷却铜管和翅片）液化成水滴后，通过软管排出。第三个过程是被蒸发器冷却处理后的干燥空气再经过（高温铜管和翅片）升温至常温通过出风口排出，如此周而往复，空气被降湿。整个过程也遵循能量守恒定律，空气也经过了常温-低温-常温的一个循环过程，也是一个能量转化的过程。

2）转轮除湿：在运行除湿系统过程中，除湿机启动后利用电动马达带动吸附式转轮在固定轴线上缓缓运行进行转圈，转轮在运动中吸收由前端进入机组空气中的水分达到给空气脱水的效果，一旦转轮扇片中的水分吸附到饱和状态后，再通过除湿机组的再生排热段利用高温气体进行脱水再生恢复到干燥状态，然后再次重复以上的运行，最后经过干燥达到生产要求空气再经表冷段进行温度调节后送入生产车间内，这就是所谓的温湿度控制（高精度）［2］。

3）固体除湿：利用除湿剂上的毛细管（带有吸附力）将水分吸附在固体吸湿剂上达到除湿效果。该除湿方法一般可以小幅度地降低露点，缺点是当处理较大水分时需要较大的吸附面积，导致设备也随之变大，不便于设备的就位和安装，同时造价也相应地很高［2］。

4）空气压缩除湿：空气进入空气压缩机后对空气进行降温压缩，分离出空气中所含的水分，缺点是设备较大，运行成本很高，噪声大［2］。

5）液体吸收式除湿：采用氯化锂溶液喷雾吸收水分然后沉降。除湿沉降后的空气露点可降至0℃左右，缺点：需要较多液体，设备较大，设备很难稳定运行，而且必须更换吸收液［2］。

以上五种常用的除湿方式，综合考虑设备体积、效率、运行时长和经济性，国内的锂电池生产企业几乎一致地选择了转轮除湿。其优点为：除湿量大，运行稳定，工作效率高，经过转轮除湿机处理后的空气低温露点达到-10℃～-60℃。

在电池生产过程中，手操箱和干燥房的露点温度值的变化直接取决于干燥设备是否正常运行。能保证如此低湿度的唯一成熟手段便是转轮除湿。自20世纪70年代浙江造纸研究所成功研发首台氯化锂除湿转轮至今，转轮除湿技术已在中国成长30余年，但遗憾的是氯化锂转轮吸湿无论在性能、寿命、强度等方面表现都不尽如人意，已被淘汰。尽管如此，转轮除湿技术已被国内企业接受和掌握，并取得了长足的发展。在核心部件——除湿转轮采用进口的基础上，已完全能够胜任锂电池生产过程中所要求的低露点和超低露点湿度控制。

4 深圳的气候特点——夏天高温高湿

项目所在地深圳属亚热带季风气候，温润宜人，降水丰富。常年平均气温23．0℃。全年80%的时间处于湿热状态。据深圳市气象局统计的《深圳市各要素1991-2020年累年平均值》表，1月份为全年最冷月，平均最低气温为11．5℃，极端最低达0．2℃（1957年2月）。7月为全年最热月，平均最高气温32．2℃，极端最高气温达38．7℃（1980年7月）。

深圳市夏季空气调节室外计算干球温度为33．7℃，湿球温度为27．5℃。对于有超低湿度要求的锂电池生产工艺而言，深圳的空气湿度显然是不适合锂离子电池生产环境要求，除非采用特别的除湿方法。

5 锂离子电池生产工艺过程中除湿净化方法及选择

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012第7．1．4条“采用局部性空调能满足空调区环境要求时，不应采用全室性空调”，第7．1．3条“工艺性空调在满足空调区环境条件要求下，宜减少空调区的面积和散热散湿设备［3］”的规定，要求厂房建设空调机组都必须带有除湿段，除湿空调机组是降低环境露点的关键设备。

以深圳市某大型电动汽车产商为例。项目所在地深圳锂离子电池生产厂房在关键性工艺过程采用了转轮式热回收新风机组除湿，由于该工段产生有毒气体必须及时排出，故空调采用全新风直流系统。设定一台转轮除湿机的再生风量为1 000 m3/h，露点温度tl=-61℃为目标，计算适合该厂房干燥房使用的新风机组选型。其生产工艺流程（见图1）［2］。

图1 锂电池生产工艺流程空气处理过程图

考虑到安全和节能这两个因素，取项目所在地深圳室外干球温度t=36℃，相对湿度Φ=62%，此时空气的其他状态参数为：湿球温度tw=29．2℃，露点温度tl=27．2℃，水蒸气分压力Ps=35．6×102Pa，含湿量d=22．6g/kg干，焓i=94．5 kJ/kg干（22．6 kcal/kg干）。空气处理过程的焓-湿图见图2［4］。

图2 空气处理过程的焓-湿图

其中，各点的空气参数为：

A：干球温度t=36℃，湿球温度tw=29．2℃，相对湿度Φ=62%，露点温度tl=27．2℃，含湿量d=22．6 g/kg干，焓值i=94．5 kJ/kg干，水蒸气分压力Ps=35．6×102Pa。

B：干球温度t=10℃，湿球温度tw=9．7℃，相对湿度Φ=95%，露点温度tl=9．2℃，含湿量d=7．3 g/kg干，焓值i=28 kJ/kg干，水蒸气分压力Ps=11．8×102Pa。

C：干球温度t=36℃，湿球温度tw=8℃，相对湿度Φ=0．8%，露点温度tl=-24℃，含湿量d=0．3 g/kg干，焓值i=38 kJ/kg干，水蒸气分压力Ps=0．5×102Pa。其中，相对湿度

式中，Pb——C点的饱和水蒸气分压力。

D：干球温度t=10℃，湿球温度tw=0℃，相对湿度Φ=7．5%，露点温度tl=-24℃，含湿量d=0．3 g/kg干，焓值i=10 kJ/kg干，水蒸气分压力Ps=0．5×102Pa。

E：干球温度t=16℃，湿球温度tw=3．5℃，其中含湿量：0．0 6 g/kg干， 水蒸气分压 力Ps=0．1×102Pa， 焓 值i=16 kJ/kg，由于焓湿图上最低温度为-30℃，E点的露点温度无法求出。将100%饱和曲线无限延长到-273℃。从微分学观点来看，可以近似为一条直线。根据D点的露点温度求出E点的露点温度，列出比例方程

求得：X=67℃，即-67℃［5-6］。

各段的消耗能量为：

(1)一级表冷器能耗：

（iA-iB）=（94．5-28）×1 000×1．2=66．5×1 200=79 800 kJ/h；

(2)一级转轮能耗：

（iC-iB）=（38-28）×1 000×1．2=10×1 200=12 000 kJ/h；

(3)二级表冷器能耗：

（iC-iD）=（38-10）×1 000×1．2=28×1 200=33 600 kJ/h；

在关键性工艺过程采用了两级冷冻除湿和两级转轮除湿，将新风处理到露点温度tl=-61℃，完全满足工艺要求。整个空气处理机组工作组成及原理如下：

(1)除湿机组的组成分为：新风进口→初效→表冷段→第一级转轮→中表冷器→第二级转轮→后表冷器（后加热）。

(2)除湿机组原理：全新风空调机组是将室外的新鲜空气经处理后送入封闭区域、房间的机组，其蒸发器进风方式为全部新风，潮湿的空气从进风口吸入，然后降温后的洁净度的空气（经过洁净后的空气减少对除湿段的应激反应）进入到除湿转轮段（第一级）处理区域，此时空气所含水分子会被转轮除湿段吸附，第一轮干燥洁净降温后的空气再通过中表冷器进入到除湿转轮段（第二级）处理区域，再次干燥后的空气通过后表冷器（后加热）调整至所要求的温度，由送风管进入生产车间。从而周而复始地循环，最终达到控制湿度和温度的要求。通过二级冷冻降温除湿和二级转轮除湿，完全有可能制取超低露点温度（-60℃以下）的空气，达到锂电池生产对环境的要求［7］。

6 转轮除湿机的节能

换热效率是热回收装置的重要指标，同等条件下，热回收装置的换热效率越高，则热回收量越多，节能效果越显著。以上是影响热回收装置热回收量的基本因素。转轮除湿机的再生过程，需要消耗大量的热量，再生处理加热的能耗较高。转轮除湿机再生排出的废气中含有大量的热量，可通过相变节能器，对热量进行回收利用，给再生新风进行预热处理，从而降低再生新风加热的能耗。另外,空调系统热回收装置的节能性和经济性还与其他许多因素有关，如空调系统的运行时间，能源和热回收装置的价格，冷热源设备的运行效率等，影响因素比较复杂。

7 结束语

本文阐述了锂离子电池厂房环境对洁净程度的高要求，了解厂房的露点温度值，设置厂房干燥房及除湿设备的必要性。同时论证了以下研究点：

1）锂电池生产工艺要求的空气处理过程其耗能较大，需要对能耗进行计算，根据工艺过程的计算数据，按1 000 m3/h风量和模块，可以选择相对应的制冷机组、风机、转轮除湿机等机电设备。

2）二级冷冻降温除湿和二级转轮除湿，完全有可能制取超低露点温度（-60℃以下）的空气，达到锂电池生产对环境的要求。

3）我国的六种主要的大气常规污染物是SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2．5。深圳雾霾中会有不同比例的六种污染物，主要成分是PM2．5。深圳的PM2．5主要来源是本地扬尘源、机动车、火电厂、工业锅炉、船舶等的排放。深圳地区2019年之前的环境空气污染处于二级轻度污染状态，时常有雾霾天气。近两年国家大力发展电动汽车等环保交通工具，采用锂电池后的城市空气环境有所改善。锂电池的使用，以及在生产锂电池过程中采用的环保节能设备等都对改善全球气候，促进碳达峰碳中和十分有益。