關于鋰電池正極材料及前驅體廠房內設備外殼、管道及支架材質選用方案探討

高養俠，王曉非，劉 勇

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410021）

正極材料及前驅體是鋰離子電池的關鍵核心材料之一，其性能直接影響了鋰離子電池的各項性能指標，鋰電池正極材料及前驅體為近幾年發展的新興行業，其設計及施工均在摸索中不斷完善，對于鋰電池正極材料及前驅體各專業（包含工藝、給排水、暖通、電氣、動力）在選用裸露的設備、管材及附件中時往往不予重視，通常按傳統工藝設計選擇設備、管材的材質，造成正極材料及前驅體品質下降，直接影響后期鋰電池包的品質[1,2]。

1 鋰電池正極材料及前驅體廠房內嚴禁含銅鐵鋅的設備、管道及支架裸露原因分析

正極材料及前驅體生產過程中，微細的金屬單質（金屬單質是由同種金屬元素形成的純凈物。金屬單質是單質的一種類別[3]。

一般來說，單質的性質與其元素的性質密切相關。比如，很多金屬的金屬性都很明顯，那么它們的單質還原性就很強）進入正極材料及前驅體中可能會引起鋰離子電池內部微短路，造成起火或爆炸，電池化成階段的電壓達到這些金屬元素的氧化還原電位后，這些金屬就會先在正極氧化再到負極還原，當負極處的金屬單質累積到一定程度，其沉積金屬堅硬的棱角就會刺穿隔膜，造成電池自放電。自放電對鋰離子電池會造成致命的影響，因而從源頭上防止金屬異物的引入就顯得格外重要。

所以金屬單質是影響成品電池安全性的重要因素，在正極材料生產過程中應特別加以關注[4]。

銅、鋅、鐵等金屬單質對鋰離子正極材料的性能影響最大，為防止金屬單質對正極材料的污染，鋰離子正極材料及前驅體中必須嚴格控制金屬單質的含量。國外知名的鋰離子電池廠家采購的正極材料，要求金屬單質的含量低于20ppb，即低于20×10-9（十億分之一），所以在正極材料及前驅體生產線上一般嚴禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質的設備、管材及其附件裸露。正極材料及前驅體生產工序較多，制造過程中的每一個環節都會有金屬異物帶入的風險，這就對材料供應商的設備自動化程度及現場質量管理水平提出了更高要求。

銅、鋅、鐵等金屬單質的引入主要由原材料中帶入，制造過程中金屬設備帶入、生產環境中由于機器磨損、門窗開關磨損、設備外殼、管道及支架的老化、破損造成空氣中微量金屬單質的帶入。

因此要求原材料廠家預先除銅鐵鋅，所有與物料接觸的工藝設備采用非金屬陶瓷部件或內襯和涂覆陶瓷或特氟龍涂層，生產車間內設備外殼、管道及支架嚴禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質的設備外殼、管材及其附件。

2 各專業存在的問題及設計遺漏

（1）工藝生產設備是金屬單質異物引入的主要環節，正極材料及前驅體物料需要與設備直接接觸，與物料直接接觸的設備要嚴防生銹、磨損、老化等現象，每一個環節均需嚴防金屬單質異物的引入，嚴格要求滿足對采購的原材料制定的金屬異物標準。為了除去金屬異物，正極材料及前驅體生產過程中的配混料、改性包覆、包裝等工序均加入了電磁除鐵機，但電磁除鐵機對非磁性的金屬單質銅、鋅不起作用，因此廠房內更應避免銅、鋅的使用。

此外還需要避免外界粉塵進入車間，對車間進行封閉和設置風淋門。

（2）電氣專業除在電氣豎井及專用房間內可按傳統材質選擇外，設計人員在材料表中專用房間及電井外的對箱體外殼、橋架、母線、選型一般有明確要求，譬如配電箱（柜）外殼采用噴塑型、環氧噴涂型、不銹鋼型。橋架可以采用玻璃鋼、不銹鋼、復合型。

母線采用鋁合金外殼、鋼制外殼、、高防護型母線等有明確要求，但是對于支架及其固定的螺栓的材質等缺乏明確要求。再者，鋰電池行業為新型行業，很多現場管理人員及施工人員也缺乏施工經驗，則按傳統選用角鋼，從而影響工藝產品質量。

（3）動力專業除設置在空壓機房、純水機房等專用房間管道、設備可以選用傳統材質外，設計人員在材料表中應明確規定管材及其附件的材質。筆者在實際翻閱過很多動力的設備材料，大多數明確了采用不銹鋼無縫鋼管、不銹鋼法蘭截止閥、不銹鋼螺紋球閥（閥體材料為不銹鋼），其主要管材滿足了鋰電池正極材料及前驅體不含銅鐵鋅的要求，但是往往忽略了支架及固定支架的膨脹螺絲的要求，從而對電池材料造成污染，影響品質。故在設計中，應明確這些支架及其附件的材質。

（4）暖通專業往往也是在選材中規定了管道的材質，譬如熱力管采用不銹鋼管道，管道連接采用焊接，熱力管采用帶鋁箔的超細玻璃棉管殼進行保溫，同時也避免了銅鐵鋅的外漏。

閥門僅規定其尺寸、型號、類型，但是缺乏材質要求。空調管、冷凍水水管同熱力管一樣存在主材有要求，或者要求不明確，有的僅要求為金屬材質，但是具體無要求，造成采購及施工有誤，從而影響產品的質量。

因防排煙管采用不銹鋼或玻璃鋼和風管，但是同樣缺失支架及其附件的材質要求。

（5）給排水專業設備一般設置在室外或者專用房間，生產廠房內均為管道，包含消防、冷熱水管、排水管、冷卻水水管。室內冷、熱水管均采用薄壁不銹鋼管道、螺紋卡粘連接或卡壓連接。消防管道采用內外涂塑鋼管，采用溝槽連接，余者絲扣連接，閥門及需要拆卸部位采用法蘭連接。重力排水管采用HDPE排水管、電熱熔連接；壓力排水管采用內外熱鍍鋅鋼管、絲接或法蘭連接；室內重力雨水排水管采用HDPE排水管、電熱熔連接。重力流雨水斗為87型、鋼制。設計人員在設計說明中要求與設備、閥門、水表、水嘴等連接時，應采用專用管件或法蘭連接。同樣存在管材選擇不當或閥門、聯結件材質要求不明確的問題。

各專業存在共同的設計及施工缺陷均為未明確支架及其附件（包含固定的螺栓）的材質，造成采用傳統的現場制作角鋼、工字鋼、吊桿，然后刷傳統的防腐防銹漆。

3 各類材質的管材優劣分析

各專業在滿足材質要求相同下，其不同材質支架將對投資成本及其性價比有很大影響。現對各類支架進線優略進行分析，如下表。

表1 各類支架進線優略分析表

4 解決方案

表2 解決方案

5 建議

（1）根據不同設備或管道支架跟物料的接觸程度及影響程度，可采取不同的處理方式，如直接跟物料接觸的采取非金屬材質或加涂層、不直接接觸的部件采取物理隔離的措施，如刷漆或包裹等。

（2）各專業建議采用做綜合管網設計，采用成品綜合支架，減少工程造價，節約成本，節約空間、管線美觀、便于維護。各專業管線綜合后，合理的計算其安裝高度，從而可以降低建筑層高，進而節約土建成本。

（3）在設計中可以綜合考慮管線的路由，設置封閉的綜合管廊，可以采用傳統的管材及支架，節約成本。