1 鋰離子電池工廠生產(chǎn)的工藝流程與真空

傳統(tǒng)的鋰電池生產(chǎn)過(guò)程包括：負(fù)極合漿、正極合漿、涂布、碾壓、分切、烘烤、卷繞、入殼、 電焊、注液、焊冒蓋、清洗、干燥儲(chǔ)存、檢測(cè)對(duì)齊度、殼體噴碼、化成、ＯＣＶ測(cè)量、常溫儲(chǔ)存、分容等。其中，正極合漿、負(fù)極合漿、涂布、卷繞、烘烤、注液、化成等工序需要配備真空系統(tǒng)。

在烘烤工序中，鋰電池極片中的水分對(duì)電池性能有很大影響，過(guò)量水分將會(huì)影響其電化學(xué)性能。因此需要設(shè)置烘箱間，將極片或電芯放置在烘箱的可移動(dòng)真空腔體中，通過(guò)烘烤與抽真空相結(jié)合的方式除去水分。與常壓干燥相比，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是真空干燥能夠避免在常壓干燥時(shí)容易出現(xiàn)的產(chǎn)品表面硬化現(xiàn)象，這是由于真空環(huán)境時(shí)極片表面與內(nèi)部的壓差大，壓力梯度使水分更快速地移出表面，干燥效率高，干燥溫度低，利于電池內(nèi)部集流體與活性物質(zhì)的粘結(jié)。

在注液工藝流程中，依靠真空注液系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)電芯注入電解液，在整個(gè)流程中，需要在注液前將注液腔體中的空氣抽到儲(chǔ)氣罐中，在注液后需要進(jìn)行真空靜置、真空抽氣封口等抽真空的步驟。

因此，真空系統(tǒng)在鋰電池生產(chǎn)中是很龐大的系統(tǒng)，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)鋰電池的生產(chǎn)品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。

2 選擇真空泵時(shí)的主要考慮因素

真空系統(tǒng)中的核心設(shè)備為真空泵，通常選擇真空泵時(shí)需要考慮三大因素：極限真空度、抽氣速率、所抽介質(zhì)成分。

2.1 極限真空度

真空泵的工作壓強(qiáng)應(yīng)該滿足真空設(shè)備的極限真空及工作壓強(qiáng)要求。通常選擇泵的極限真空度

高于真空設(shè)備工作真空度0.5～1個(gè)數(shù)量級(jí)。通常鋰電池廠的真空系統(tǒng)要求達(dá)到相對(duì)真空度 －0.096MPa左右（絕對(duì)真空度5325Pa左右），根據(jù)GB／T3163—2007《真空技術(shù)術(shù)語(yǔ)》真空區(qū)域的劃分，鋰電池廠的真空系統(tǒng)屬于粗真空系統(tǒng)（103～102Pa）。

2.2 抽氣速率

真空泵的有效抽氣速率比額定抽氣速率低，因此應(yīng)乘一定系數(shù)后再根據(jù)樣本選擇合適的真空泵。當(dāng)樣本上有泵的特性曲線時(shí)，從經(jīng)濟(jì)、安全可靠及時(shí)間經(jīng)驗(yàn)的角度，計(jì)算抽氣速率（有效抽氣速率）應(yīng)當(dāng)乘以1.5～2.0作為額定抽氣速率，根據(jù)泵的特性曲線選擇泵的型號(hào)和臺(tái)數(shù)； 當(dāng)泵的樣本上沒(méi)有特性曲線而只有泵的額定抽速時(shí)，由于樣本上給出的額定速率是在1個(gè)大氣壓條件下測(cè)得的，而泵是在低于一個(gè)大氣壓下運(yùn)行的，因此計(jì)算抽氣速率（有效抽氣速率）應(yīng)當(dāng)乘以2～4，與樣本上的額定抽氣速率比較，選擇泵的型號(hào)和臺(tái)數(shù)。

2.3所抽介質(zhì)成分

鋰離子電池工廠的真空系統(tǒng)所抽物質(zhì)包括：空氣、ＮＭＰ、粉塵、微量電解液等。

ＮＭＰ作為正極合漿生產(chǎn)工藝中ＰＶＤＦ的溶劑，存在于合成的漿料中，并隨著電池的生產(chǎn)流程，存在于涂布、烘烤等工藝流程中， 所以上述工藝過(guò)程中，真空系統(tǒng)所抽介質(zhì)含有ＮＭＰ溶劑。

注液工藝中，電解液是否均勻是影響電池質(zhì)量的關(guān)鍵因素，每個(gè)電池在電解液充注之前都要抽真空，并且在抽氣的過(guò)程中還要持續(xù)脫氣，這一操作可提高電解液的均勻度。因此在注液工藝中，真空系統(tǒng)所抽介質(zhì)含有微量電解液。

3 有機(jī)溶劑的化學(xué)性質(zhì)及對(duì)真空泵的影響

3.1 ＮＭＰ 的化學(xué)性質(zhì)

Ｎ－甲基吡咯烷酮（ＮＭＰ）的沸點(diǎn)為204℃（101.3ｋＰａ），熔點(diǎn)為－24.4℃，臨界溫度為445℃。ＮＭＰ是一種極性很強(qiáng)的非質(zhì)子傳遞溶劑。

能溶解大多數(shù)有機(jī)與無(wú)機(jī)化合物、極性氣體、天然及合成高分子化合物，例如能與水和醇、醚、酯、酮、鹵代烴、芳烴等互溶。

ＮＭＰ是鋰電池廠中電極黏和劑聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）的溶劑，真空泵在合漿、涂布、烘烤等工藝流程中所抽取廢氣便含有 ＮＭＰ。含有 ＮＭＰ 的廢氣在經(jīng)過(guò)涂布機(jī)以后， 溫度為90～110℃ 左右。

3.2真空泵的泵油失效

真空泵的潤(rùn)滑油主要起到潤(rùn)滑、密封、冷卻的作用，但是在使用過(guò)程中會(huì)逐步失效，主要有2種失效形式：真空泵油乳化、真空泵油碳化。乳化是指高溫時(shí)真空泵所抽氣體中存在能夠與真空泵油反應(yīng)的化學(xué)成分，從而反應(yīng)生成黏稠狀的物質(zhì)粘在真空泵葉片上，使其不能迅速做往復(fù)甩出運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響真空泵能夠達(dá)到的真空度；碳化是指真空泵油在高溫時(shí)產(chǎn)生顆粒狀物質(zhì)，隨著真空泵的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，顆粒狀物質(zhì)使缸體和葉片磨損，進(jìn)而導(dǎo)致真空度下降。

目前鋰電池廠房在生產(chǎn)過(guò)程中，如果使用油泵作為潤(rùn)滑劑，則生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的 ＮＭＰ 會(huì)與真空泵油在高溫下反應(yīng)，使真空泵油乳化而失效，進(jìn)而使真空泵葉片旋轉(zhuǎn)困難， 此外， ＮＭＰ也會(huì)對(duì)吹掃器、密封件等產(chǎn)生影響。因此，油泵在鋰電池廠房中需要頻繁、定期地清洗， 運(yùn)行中事故多發(fā)并且維護(hù)費(fèi)用高，廢品率和維修故障率高。

考慮到有油真空泵的上述缺陷，在鋰電池廠房真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)首選干式真空泵。干式機(jī)械真空泵的主要形式有：干式螺桿真空泵、無(wú)油往復(fù)真空泵、爪式真空泵、無(wú)油渦旋真空泵、干式旋片真空泵等。其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

3.3有機(jī)溶劑對(duì)真空泵部件的腐蝕及真空泵的防腐措施

ＮＭＰ 溶劑會(huì)對(duì)真空泵的金屬部件造成極性腐蝕。 這是由于 ＮＭＰ是一種極性溶劑， 極化率極大，當(dāng)存在離子化合物時(shí)，離子化合物易溶解，導(dǎo)電率大，可形成像水溶液一樣的導(dǎo)電溶液，進(jìn)而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。極性溶劑在常溫下對(duì)金屬的腐蝕性較小，但在高溫下對(duì)金屬 腐蝕性大，而真空系統(tǒng)所抽的含 ＮＭＰ的廢氣溫度高達(dá)120 ℃ ，因此對(duì)真空泵的金屬部件采用防腐蝕措施尤為重要。

為了避免有機(jī)溶劑及電解液對(duì)真空泵金屬部件產(chǎn)生腐蝕，在轉(zhuǎn)子、泵腔等與所抽有機(jī)溶劑接觸的部位采用噴涂防腐涂層的處理是一種非常有效便捷的方法。 其中， 聚四氟乙烯（Ｆ４， ＰＴＦＥ ）可作為真空泵防腐蝕的 理想涂料。這是由于它抗酸抗堿、抗各種有機(jī)材料的腐蝕，且?guī)缀醪蝗苡谒械娜軇?；此外還耐高溫耐低溫，長(zhǎng)期使用時(shí)能耐200～260℃的高溫， 而在－100℃ 時(shí)仍可保持柔軟；摩擦系數(shù)極低，有潤(rùn)滑作用，方便真空泵內(nèi)層結(jié)構(gòu)的清潔。

此外，由于相似相容的原理，有機(jī)溶劑對(duì)真空泵的橡膠部件，例如丁晴橡膠、氟橡膠，也有腐蝕。為避免有機(jī)溶劑對(duì)橡膠部件的腐蝕，可采用聚四氟乙烯包裹的橡膠材料。

4 真空系統(tǒng)中針對(duì)有機(jī)溶劑的后處理工藝

ＮＭＰ 雖然毒性較小，但能夠?qū)θ梭w造成輕微的皮膚刺激、不孕等影響，故在鋰電池生產(chǎn)時(shí) ＮＭＰ濃度高的區(qū)域，生產(chǎn)人員應(yīng)佩戴防毒面具，穿防護(hù)服等。此外，若將 ＮＭＰ直接排入周圍環(huán)境，會(huì)造成一定程度的大氣污染，并且由于 ＮＭＰ易溶于水，可隨雨水一起滲入土壤造成地下水污染。因此真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)避免將ＮＭＰ直接排至廠房外的大氣中， 應(yīng)當(dāng)先將真空泵所抽的混合氣體中ＮＭＰ分離出來(lái)進(jìn)行回收，再將其余氣體排至大氣。目前了解到的 ＮＭＰ的回收方式有3種：轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)、深冷回收技術(shù)、吸收劑吸收技術(shù)。

4.1 轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)

吸附劑有：活性炭、活性炭纖維、沸石分子篩等。轉(zhuǎn)輪回收設(shè)備在處理區(qū)吸附ＮＭＰ廢氣， 在冷卻區(qū)采用新風(fēng)對(duì)廢氣進(jìn)行冷卻，在脫附區(qū)用熱空氣對(duì) ＮＭＰ 加熱將其脫離出來(lái)。脫離出來(lái)的含 ＮＭＰ熱空氣還可以送回涂布機(jī)實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。示意圖見(jiàn)圖1。

4.2深冷回收技術(shù)

深冷技術(shù)是對(duì) ＮＭＰ的廢氣進(jìn)行冷卻，將其冷凝為液體。主要包括2種方式：間接式技術(shù)和直接式技術(shù)。間接式技術(shù)采用氣 氣換熱器與冷凝回收裝置結(jié)合的降溫方式，將大部分ＮＭＰ降溫成液態(tài)；直接式技術(shù)采用氣氣換熱器與冷卻塔噴淋結(jié)合的降溫方式，冷卻塔的冷媒為高純度 ＮＭＰ，將廢氣中 ＮＭＰ混合、冷凝，達(dá)到一定量后排出。上述 2種工藝分別如圖 2、3所示。

4.3吸收劑吸收技術(shù)

ＮＭＰ 的吸水性強(qiáng)，可用水作吸收塔中的吸收劑對(duì) ＮＭＰ進(jìn)行吸收。通過(guò)泵將塔釜的吸收液輸送至吸收塔上部進(jìn)行循環(huán)噴淋，塔釜的吸收液中ＮＭＰ濃度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到特定值即 可排至ＮＭＰ廢液收集罐中。以多級(jí)噴淋為例，其工藝流程如圖4所示。

4.4深冷技術(shù)與轉(zhuǎn)輪技術(shù)結(jié)合

將120℃ 左右含ＮＭＰ的廢氣經(jīng)過(guò)換熱器換熱，溫度降至70℃，新風(fēng)則被廢氣加熱到80℃。廢氣再經(jīng)過(guò)一級(jí)冷凝器（采用冷卻水）降溫至30℃后，經(jīng)過(guò)二級(jí)冷凝器（冷水） 降溫至15℃， 此時(shí)可對(duì)一部分 ＮＭＰ 氣體實(shí)現(xiàn)冷凝回收。另一部分未冷凝的廢氣經(jīng)過(guò)活性炭的吸附處理， 被一些體積較大的活性炭截留，而ＮＭＰ溶劑中的有機(jī)溶劑則被吸附到活性炭（吸附塔）的 細(xì)孔中。廢氣經(jīng)過(guò)活性炭之后，未被吸附的部分再次經(jīng)過(guò)冷凝塔進(jìn)行處理，最終排到大氣中。 此外，活性炭的吸附量比例達(dá)到35％ 時(shí)就已經(jīng)使其吸附能力達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而開(kāi)始吸收熱空氣釋放廢氣達(dá)到再生的狀態(tài)，因此，應(yīng)將活性炭釋放的廢氣與生產(chǎn)中產(chǎn)生的ＮＭＰ廢氣 一起排入冷凝塔進(jìn)行回收，并且要定期檢查活性炭裝置的吸附能力，對(duì)使用過(guò)程中使用次數(shù) 過(guò)多的活性炭及時(shí)進(jìn)行更換。具體的工藝流程如圖5所示。

該方法適用于高濃度、單一組分有回收價(jià)值的ＶＯＣ 的處理，由于該方式處理成本較高， 通常情況下，ＶＯＣ 體積分?jǐn)?shù) ≥5000×10－6，回收效率介于50％～85％之間，才可適用冷凝處理；體積分?jǐn)?shù) ≥1％ 以上時(shí)，回收效率 ≥90％。

這種方法受外界溫度、壓力影響小，不受氣液比影響，回收效果穩(wěn)定，可在常壓下直接冷凝， 且可以直接回收到有機(jī)液體，無(wú)二次污染。缺點(diǎn)是要得到較高的回收率需要采用較低溫度的冷凝介質(zhì)或較高的壓力，使得能耗較大，設(shè)備材質(zhì)及運(yùn)行費(fèi)用也較高。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)對(duì)鋰離子電池廠房的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)已有的研究較少，而真空系統(tǒng)對(duì)鋰電池質(zhì)量和生產(chǎn)人員的健康有著重要的影響，故本文對(duì)該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了一定程度的總結(jié)，包括工藝流程、真空泵的選型、真空系統(tǒng)所抽介質(zhì)后處理技術(shù)等，主要結(jié)論如下：

1）選擇真空泵時(shí)應(yīng)滿足其極限真空度高于真空設(shè)備工作真空度（相對(duì)真空度 －0．096 MPa左右）0.5～1個(gè)數(shù)量級(jí)。

2）選用干式真空泵可避免油泵遇到 ＮＭＰ溶劑發(fā)生泵油失效的問(wèn)題。

3）真空泵與有機(jī)溶劑接觸的表面應(yīng)噴涂聚四氟乙烯等涂料來(lái)避免有機(jī)溶劑的腐蝕。

4）ＮＭＰ的回收方式有3種：轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)、深冷回收技術(shù)、吸收劑吸收技術(shù)。此外還可將上述技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用。將這些回收技術(shù)應(yīng)用到真空泵的后處理系統(tǒng)中，可最大程度減少?gòu)S房中ＮＭＰ對(duì)生產(chǎn)人員健康的影響及對(duì)環(huán)境的污染。