锂电池厂房建设的技术要求

发布日期:2021-07-15　浏览次数：2131

近年来，随着新能源电动汽车行业兴起，带动着动力电池生产企业的迅速发展，同时也带动着对锂电池洁净厂房的建设需求。较多企业新涉足此行业，对厂房建设停留在依葫芦画瓢的阶段，或怕出问题一味的提高建设要求，最终导致施工过程经常出现边建边拆边改的情况，造成投资的浪费。

为使潜在投资企业了解锂电洁净厂房的基本建设需求，避免盲目投资，以下分别从厂房结构、消防、内装、空调、工艺管道、电气方面做简单综述。

一、厂房结构

厂房分自建厂房和租赁厂房，因锂电洁净厂房整体建筑面积大，比较难找到合适厂房租赁，大多数企业选择自建厂房。

自建厂房又分为混凝土框架结构及钢结构，各有优劣。混凝土框架结构土建施工周期长，投资预算高，使用周期长，适合做长远发展的大中型企业；钢结构厂房施工周期短，投资预算低，使用周期短，适合需要迅速发展的中小型企业。以上不管何种结构厂房，均不宜建多层厂房，且均需充分考虑地基承重、楼面沉重、设备房大小、厂房消防等级等。设备房及辅助用房建议统一设置在某一侧或某个集中区域。

●荷载按照800KG/M2。

●层高按照6.6M~7.2M~8M

●柱网按照9M~12M

二、消防

由于锂材料的特殊化学性，又需满足消防验收要求，在节约投资的情况下也也需要充分考虑到危险的防范，此部分需特别注意。一般厂房为丙类厂房，消防涵盖排烟、喷淋、报警、应急照明等。注液区、电解液存放区、高温房等危险性较高区域，需单独隔离防火分区，各类设备考虑防爆及耐腐蚀要求等。

注意一定要设计为丙类厂房，否则消防有可能验收不过。

●化成间、分容间、二次高温静置房设计消防卷盘，用于非消防人员在火灾初期有效扑救；卷盘长度25M。

●一次高温静置间：其实就是类似个老化房，环境45±3℃，各专业需要考虑相关的材料及设备选型

●消防设计重点参考如下规范

三、内装

隔墙布局需综合消防逃生、人流物流通道、生产设备的摆放等多方面因素。生产设备由于生产材料的不同（如三元锂、磷酸铁锂等）及设备自动化程度或厂家的不同，尺寸规格有较大出入。建设单位需在确定产品、生产设备后再结合考虑整体布局，有出入再做调整。由于存在高温和低湿度环境的特殊性，隔墙、天花、门窗的选择都需要注意。高温房一般为单独隔离分区，围护采用岩棉板材质，门体采用防火门。低湿度区域围护采用隔墙岩棉板，天花玻镁岩棉板，门体采用成型密闭门，玻璃采用双层真空玻璃窗。

●地面：3MM 环氧自流平+高耐磨聚氨酯罩面+哑光，

配料车间（正负极搅拌间）、涂布机头、涂布机尾区、清洗间、电解液存放间地面采用厚度2mm的304不锈钢板材焊接，清洗墙面沿地面上翻1200mm

●车间墙面采用50型手工玻镁双面岩棉净化板，钢板厚度0.472mm；

●辊压机重量35吨，设备基础采用双层双向钢筋结构；

四、空调

锂电洁净厂房一般厂区面积大，制冷总负荷大，需综合计算全区域的总冷负荷，确定制冷主机冷量及安装位置，考虑节能的需求，制冷主机尽量集中在冷冻站，并充分考虑后期扩建连通预留管路阀门，再通过冷冻水管分区输送冷源。北方省份还需考虑冬季防冻措施。

锂电洁净厂房与其它行业的最大不同是对湿度控制要求较高，除湿机组是保障环境露点的核心设备。除湿机组的选择，车间围护的密闭性，风管的密闭性，人员数量，车间的管控都需综合考虑。除湿机组尽量选择市场知名度较高的品牌，车间隔墙天花严格施工工艺，门窗采用定制成型密闭型，风管采用角铁法兰，注液等低湿度区域采用不锈钢风管。空调部分的控制建议采用PLC控制，为便于操作使用整合安装于各空调控制柜上。

有投资预算的企业还可以采用中央控制，集中监视。五、工艺管道锂电池生产过程需要冷却水、压缩空气、氮气、真空、给排水、排气等。根据设备需求，统计整体用量，确定设备型号及安装位置，根据生产设备布局及需求量布置管道走向。需要注意的气管部分是由于厂区面积大，管路损耗大，需要考虑在远端增加储气罐及环管。真空设备及管路部分需要区分电解液区域及普通区域。

局部会有很多亚克力微环境结构，以便节能降耗。

重点关注问题：

1.净化空调风管必须用法兰连接，1%相对湿度区域的送回风管采用不锈钢管，焊接连接,为满足风量泄漏量及密封要求，应按照高压系统施工。在相对湿度小于10%的区域的镀锌钢板厚度干管应采用风管厚度1.2mm。在法兰铆钉处及其他风管连接处打密封胶，保证风管的允许漏风量不大于1.64m3 /(h*m2 )

2、转轮除湿机组带热回收装置，可节省制热量；

3.空调风机、排风机采用变频风机，可根据实际所需风量调节电能消耗，节省电能；

4.空调系统风管、水管均严格保温，减少热量损失；

5.空调系统均设有温湿度自动控制系统（DDC），精确控制温湿度，节省了冷热量;

6.空调新风量设计满足每人不小于40m/h的工业卫生标准,保证生产区人员工作环境要求;

7.风冷热泵机组采用环保冷媒R407C，减少环境污染。

8.冷热源由设置在屋顶上的一体式一体化双冷高效冷水机组提供,冷冻水为7/12°c，热水为45/40°c。其中两台为单冷机组,一台为热泵机组，冬季可制热；冷水机组还提供设备工艺冷冻水屋面设置一套板式换热器，与冷冻水进行交换得到20/35°c的冷却水为空压机降温，配两台水泵，一用一备。智能补水定压综合水处理装置放在屋面上，接至冷却水回水管，为冷却水系统定压补水。

六、电气

锂电洁净厂房生产设备及空调等辅助设备较多，用电功率大。电房布置及变压器大小选择需考虑整体用电负荷。供电分区、桥架走向、分级控制等为便于后期维护使用及用电安全需综合考虑。很多锂电池厂优先靠近电厂等，这样成本优势就很大。

电柜断路器及电缆建议使用市场知名度较高的品牌，电线电缆均采用阻燃型，穿线管采用镀锌线管。照明部分建议采用LED光源，车间部分照度控制在250Lux至300Lux左右照度，仓库及设备房100Lux左右照度，应急照明按消防规范及房间布局安装，并考虑其它检修照明及检修插座等。灯具一定要避让我们的设备，很多设计灯具没有避让工艺设备。

七、总结

由于电池生产环境要求的严苛，需充分考虑设计的完整和合理性、施工工艺的严格管控、节能、生产工艺及投资预算，兼顾平衡，确保锂电洁净厂房的顺利建设投产。

八、其它相关资料

锂电池目前被广泛应用于各类数码产品，受国家产业政策支持的电动汽车、电动自行车等发展较快，动力锂电成为锂电池的潜力领域。然而其制造过程极为严苛，需要非常干燥的环境，通常要求环境空气露点温度达到－４０℃以下［１］。锂电池类的制造过程有着极为严苛的生产环境要求，因此在设计、施工过程中任何一部分出现偏差都会给整个系统带来损失。另外，为了对液晶、有机发光显示屏等新型电子元件的高性能化进行研究，或为了提高生产效率、降低生产成本等常常需要在超低露点（－８５℃）以下环境中生产［２］。因此，随着各种高性能电子元件的开发、制造过程的实用化，对超低露点干燥空气环境的需求会越来越多。

常用的超低露点环境是利用吸附技术对空气中的水分进行吸附除湿，获得干燥空气。而采用硅胶或分子筛吸附除湿的方式已经逐步成为主流［３］，吸附式除湿装置又可以分为吸附塔式和转轮式吸附除湿机２种。转轮式除湿技术已被国内企业接受和掌握，并取得了长足的发展，在核心部件采用进口除湿转轮的基础上，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，并成为代表技术被各个行业所采用［４］。

１现行超低露点空调除湿系统存在的主要问题

１．１现行超低露点空调除湿系统流程

以锂电池干燥房的露点温度要求（－５０℃）为例（如图１所示）。在空气处理过程中，空气处理系统分为２个子系统：工作间空气处理系统和转轮再生空气处理系统。

工作间空气处理流程：室外新风Ａ经初效过滤后进入前表冷器一，通过冷却除湿得到低温饱和湿空气Ｂ，经一级转轮除湿至Ｃ工况，再与室内回风Ｈ１混合至Ｄ工况，经过前表冷器二降温后得到Ｅ，其中大部分空气进入二级转轮进行深度除湿，得到低露点空气Ｆ，再经后表冷器和中效过滤器至Ｇ工况后送至工作间。

转轮再生空气处理流程：①一级转轮再生系统的再生空气来自二级转轮再生空气的排气，具体在二级转轮再生系统中陈述。②由于室外空气含湿量较高，尽管加热后，其水蒸气分压力降低，但仍高于二级转轮再生段吸湿剂的水蒸气分压力，不能满足二级转轮再生气体的含湿量要求。因此，采用相对干燥的空气进行转轮再生才能克服这个难题。所以，在二级转轮再生系统中，二级转轮再生气体采用了经一级转轮处理与室内回风混合并经除湿的干燥空气Ｅ１（含湿量为０．４４ｇ／ｋｇ干空气），经二级转轮冷却后至Ｊ工况，空气中的含湿量变为约１ｇ／ｋｇ干空气。在电加热的作用下，该气体温度升高至Ｋ工况，空气中的水蒸气分压力降低，并将其用于二级转轮的再生，空气状态变为Ｌ。尽管经过二级转轮的再生使用，该空气与室外新风比较还是相对干燥的，将二级转轮再生空气的部分排气加热至Ｍ工况后，用于一级转轮的再生空气，从而提高了一级转轮处理空气的能力。

１．２运行过程中存在的主要问题

１）现行超低露点除湿系统通常采用一级和二级转轮串联方式。需要干燥的空气除了一部分作为新风进入工作间，还有一大部分作为二级转轮的再生空气［５］。因此，一级转轮的空气处理量较大，运行成本较高。

２）由于各级除湿转轮均配有再生加热器，且为了保证除湿效果，经计算一级转轮的再生温度需要１１０℃，二级转轮的再生温度需要１４０℃，在系统运行时会消耗大量的再生能源。

３）由于锂电池生产环境要求极为苛刻，任何一部分设计、施工出现偏差，都会给整个系统带来难以估量的损失。现行转轮除湿系统较为复杂，导致存在装置大型化、设备投资高、控制点多、运行调试较复杂等问题。

２新型超低露点空调除湿系统构成及特点

２．１新型超低露点空调除湿系统流程

新型超低露点空调除湿系统流程如图２所示。整个空气处理系统分为２个子系统，但是２个子系统相对较为独立。

工作间空气处理流程：室外新风经过转轮再生系统表冷器除湿后（Ｄ２状态点，具体在转轮再生

空气处理系统中陈述）与回风Ｊ１以及Ｇ１经转轮预冷后的空气混合至Ｆ点工况。此时Ｆ工况空气的含湿量已经很低，经过中效过滤器和表冷器后至Ｇ工况，一部分（Ｇ１）经过转轮预冷段和经除湿处理后的新风Ｄ２混合，另一部分Ｇ２进入二级转轮进行深度除湿至工况Ｈ，然后经过表冷器达到送风状态点Ｉ后进入工作间。

转轮再生空气处理流程：室外新风Ａ１经过初效过滤器和表冷器后至Ｂ工况，与经过二级转轮再生后的空气混合至Ｂ１，经过表冷器后进入一级转轮至Ｄ工况，其中一部分空气作为新风Ｄ２与工作间的回风混合，另一部分空气Ｄ１被加热之后用于二级转轮的再生至工况Ｅ，此时空气较室外空气相对干燥。为了节能，将其经过显热换热器后与处理的新风Ｂ混合，再经过表冷器后进入一级转轮进行除湿处理，如此循环。

２．２新型超低露点空调除湿系统特点

１）系统运行稳定后，室外空气处理量就是工作间所需的新风量。因此，无论是二级转轮还是一级转轮的除湿量都大大减少。新风量对整个系统的冲击较小，工作间的湿度得到较好控制。

２）经过计算得出，一级转轮再生温度需要１００℃，二级转轮的再生温度则是８０℃，较现行系统的再生温度大大降低，减少了转轮再生能耗，运行过程中节能降耗非常显著。二级转轮的使用寿命得到延长，并为以后利用低温热源创造了有利条件。若与高温热泵结合在一起，将进一步提升新型系统的节能效果。

３）由于一级转轮和二级转轮相对独立，系统调试较为简单，且实际运行过程中由于二级转轮的除湿量极少，且较低的再生温度使二级转轮的使用寿命得到延长（其价格在整机中比重较大），后期的维护费用相应降低。洁净车间www.iwuchen.com

３改造前后系统运行状态和节能性比较

以无锡新区某日资企业锂电池的转轮除湿空调系统改造项目为例。由于除湿转轮使用寿命和除湿效率的下降，导致原有空调除湿系统（如图１所示）无法满足工作间送风参数，故对该系统进行节能改造。所需干燥空气送风量为５０００ｍ３／ｈ，露点温度为－５０℃［６－７］。表１所示为图２中除湿系统各点对应的空气状态参数。

表２所示为２０１３年３月２＃干燥房实际运行过程中采集的各主要控制点参数。其中工作间露点温度最低是－５３.０℃，满足要求。二级转轮再生加热温度最高是８５.４℃，月平均温度是８２℃。一级转轮再生加热温度最高是１０３.１℃，月平均温度是１０１.１℃。

图３所示为２０１４年一级转轮和二级转轮空气再生加热温度的月平均值。可以看出，二级转轮再生加热温度全年稳定，年平均温度是１０１．５℃。一级转轮再生加热月平均温度在５月和６月较高，最高值６月份达到１０５．５℃。这是由于无锡５月和６月室外空气相对湿度较大，而一级转轮再生用的就是室外新风，因此再生加热温度较高。但总体较为稳定，年平均温度是１０１．５ ℃。新风全年

空气状态参数的变化对整个系统的影响较小，工作间的湿度控制较好。

实际使用时考虑留有一些安全裕量，一级转轮再生温度设定为102℃，二级转轮的再生温度为82℃，工作间空气露点的实测平均值达到－５９.６℃，满足要求。新型除湿系统能耗由额定工况参数（见表１）算出，与现行除湿系统的能耗比较结果在表３中给出。可以看出，新型除湿系统总冷负荷与现行系统相当，但总热负荷比现行除湿系统降低约４６.７％，大大节约了除湿转轮的再生能耗。

４结论

笔者对新开发的超低露点空调除湿系统的系统构成、操作条件、节能性能等进行研究，得出以

下结论：

１）新型转轮除湿系统中经过一级转轮的空气量就是工作间所需的新风量，使得一级转轮的转轮规格比改良前系统小，在前期的设备投入方面节省了部分费用。

２）新型转轮除湿系统中二级转轮和一级转轮的再生温度较改良前系统大大降低，这使得二级转轮的使用寿命得到延长，并为以后利用低温热源创造了有利条件。较低的再生温度可以节省转轮再生能耗，运行过程中节能降耗显著。

３）一级转轮和二级转轮相对独立，使得新型转轮除湿系统调试较为简单。

４）考虑到节约能耗和降低成本的要求，还需要结合现场的生产工艺通盘考虑，为后期生产建没提供有益的帮助。

附件1：

龙华新区锂离子电池企业安全管理工作指引（试行）

序号	项目			安全要求	现场检查情况	备注
1	建（构）筑物		1.1	厂房、仓库建（构）筑物应经消防部门备案或取得消防部门相关批准文件。
			1.2	厂房建（构）筑物的耐火等级应不低于二级。
			1.3	易燃易爆危险化学品储存、使用场所（包括锂离子电池仓库和存放量较大的车间）建筑物应按甲或乙类生产车间的标准保持与周边建筑之间的防火间距。
			1.4	分容、化成、老化车间及电池半成品、成品仓库应单独设置，用实体墙与其它车间进行分隔，采用乙级以上防火门。
			1.5	电芯、电池仓库每个防火分区面积不得超过250m²。
			1.6	注液、化成、分容、老化车间、电芯、电池仓库应设置独立对外的事故排风装置，并与烟感、温感装置联锁。
			1.7	厂房、仓库内每个防火分区应设两个以上安全出口，面积和人数符合建规相关规定的可设一个安全出口。
			1.8	应安装有防雷设施并定期检测合格。
2	基本要求		2.1	危险化学品应有专人管理。
			2.2	易燃易爆危险化学品贮存、使用场所、可燃粉尘场所的电气设施应满足防爆要求，设备的金属部件及其它金属构件均应采取静电接地措施。
			2.3	老化车间事故排风机、灯具和涂层烘烤装置排风机都应采用防爆型。
			2.4	危险化学品仓库、中间仓、注液车间的电解液供液间等场所应设置可燃气体报警装置，报警器应设置在作业场所和24小时有人值班的地方。
			2.5	作业场所应在明显处张贴安全操作规程和安全警示标志。
			2.6	应使用不能产生火花的工具（如铜合金、铝合金工具）开启易燃易爆危险化学品包装容器。
			2.7	应有生产厂家提供的危险化学品安全技术说明书，危险化学品包装物应有符合要求的安全标签，贮存、使用场所应有危险化学品安全周知卡。
			2.8	电芯、电池仓库温度应控制在摄氏-5℃至35℃范围内，相对湿度不大于75%，应清洁、干燥、通风良好，不得有其它腐蚀性物质和火源、热源存在。
			2.9	化成、分容、老化车间，电芯、电池仓库内应设置全角度视频监控系统，并安排专人值守。
			2.10	化成、分容、老化车间，电芯、电池仓库内应设置自动感烟报警器和感温报警器，报警器应设置在24小时有人值守的地方。
3	危险化学品贮存、使用、废弃	使用场所	3.1	注液车间的电解液供液设施应采用防火墙和不低于乙级的防火门与其它房间隔离。
			3.2	危险化学品作业场所应与其它作业场所隔离开。
			3.3	车间内临时存放的少量危化品应放置在人流少的空旷地点，并与电气设施保持在3米以上的距离，有防泄漏流散的措施。
		仓库	3.4	危险化学品仓库应独立设置，危险化学品贮量不得超过7天使用量。
			3.5	危险化学品中间仓储存的易燃液体，不得超过一昼夜的用量。
			3.6	危险化学品仓库应设置防止液体流散的设施。
			3.7	危险化学品分装、改装、开箱检查不得在库房内进行。
		废弃物	3.8	废弃化学品应委托有资质的单位进行处理。
4	电芯、电池生产、贮存	涂布、烘烤工序	4.1	涂层烘烤装置应按规范要求设置安全抽排风系统和超温报警器。
		涂布、烘烤工序	4.2	涂层烘烤装置应设置安全泄压装置和可燃气体浓度报警仪。
		注液工序	4.3	应有注液计量装置和电解液泄漏回收装置并确保正常使用。
		注液工序	4.4	注液设备应密闭生产并采用惰性气体保护，或采用可靠的微负压装置。
		化成与分容、老化工序	4.5	化成、分容、老化柜应采取防止因电池发生燃爆而产生的连锁反应的措施。
			4.6	老化房宜采用间接加热方式，加热器宜设置在老化房外。
			4.7	大量存放电池或电芯的车间、仓库应安装自动灭火装置。
			4.8	车间应有专人进行操作和监护，化成、分容柜在5个以上的车间应配备电脑监测系统对电芯的电压、电流、内阻进行全过程监测。
		电芯、电池贮存	4.9	电芯应有防止短路的保护措施。
		电芯、电池贮存	4.10	货架应使用不燃烧材料，企业应根据自己生产的电池特点、包装物和存放设施自行制定相应的堆放高度标准。
5	用电安全		5.1	电气系统应设置接地保护，其接地形式应采用TN-S系统要求。
			5.2	生产用电设备、临时用电设备、插座系统均应安装剩余电流动作保护装置。
			5.3	电气线路应采用阻燃性能不低于PVC阻燃管的管道穿管敷设。
			5.4	临时用电设施或移动电气设备应采用电缆做电源线。
6	机械安全		6.1	设备布置应满足操作、维修以及安全疏散的要求，分容柜排与排之间操作空间间距不得小于1.1米，柜与柜之间安全通道不得小于0.8米，排与墙之间间距不得小于0.6米，主通道宽度不小于2.0米。
			6.2	距离基准面2米高度以下的设备运动部件必须有防护装置。
			6.3	辊压机辊轴内旋处设置遮挡装置。
			6.4	冲压机械应采用双手开关、光电保护的等防护措施。
7	作业安全与劳动保护		7.1	作业场所应划定作业区域，物品分类规范堆放，安全疏散通道清晰、明确、畅通，各区域有标志、标识牌。
			7.2	注液车间、电解液贮存仓库应设置洗眼器等应急救护设备。
			7.3	应为危化品作业人员配备防毒口罩、防毒面具、防护眼镜等防护设施，烘烤、老化作业人员配备耐高温手套，并督促正确佩戴。
			7.4	动火、临时用电、进入受限空间、高处作业等危险性作业应落实审批监控制度。
8	消防安全		8.1	仓库的照明正下方0.5米范围内不得堆放可燃物品。
			8.2	消火栓、灭火器应确保能正常使用，不被埋压、圈占。
			8.3	安全出口、疏散通道应按规定安装应急照明灯与指示标志。
			8.4	仓库、化成、分容、老化房应各配备灭火毯2条，事故电池处理专用桶各1个。
			8.5	生产场所、仓库不得有住人现象。
			8.6	按要求设置消防器材，并由专人管理，消防器材应设置在明显和便于取用的地点。
9	安全管理	基础安全管理	9.1	从业人员超过一百人的，应当设置安全生产管理机构或配备专职安全生产管理人员，从业人员在一百人以下的，应当配备专职或者兼职安全生产管理人员。
			9.2	企业主要负责人和安全生产管理人员应当接受安全生产培训，具备与所从事的生产经营活动相适应的安全生产知识和管理能力。
			9.3	建立健全安全生产管理制度，包括但不限于： ①安全生产责任制度；②安全生产检查与隐患排查制度；③安全生产教育培训制度；④危险化学品管理制度；⑤安全操作规程；⑥特种作业人员管理制度；⑦作业场所职业安全卫生健康管理制度；⑧消防安全管理制度；⑨重要设备和设施维护保养和故障处理管理制度；⑩劳保用品管理制度；11生产安全事故报告和处理制度；12应急救援管理制度
			9.4	从业人员应经安全生产教育和培训合格，才能上岗作业。
			9.5	特种（设备）作业人员应经安全培训合格后持证上岗。
		应急及事故管理	9.6	企业应编制实用的生产安全事故应急预案并到安监部门备案，配备必要的应急救援器材设备。
			9.7	20人以上的企业应建立专兼职志愿消防队伍；20人以下的企业应建立全员志愿消防队员的应急保障机制，提高对火警的先期处置能力。
			9.8	每年至少组织一次综合应急预案演练或者专项应急预案演练，每半年至少组织一次现场处置方案演练。

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