锂离子动力电池生产项目节能潜力研究_吴鑫亮.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018锂离子动力电池生产项目节能潜力研究吴鑫亮南京工程咨询中心有限公司摘要：随着碳达峰碳中和工作的深入实施，新能源汽车产业等战略性新兴产业将进一步发展，而锂离子动力电池作为新能源汽车的核心零部件其市场需求将进一步加大。锂离子动力电池生产项目通常能耗较高，从锂离子动力电池产品类型、生产工艺、能耗分析、能效分析、节能措施等方面深入研究锂离子动力电池生产项目的节能潜力，为“双碳”目标下提升锂离子动力电池生产项目节能降耗水平提供参考和建议。关键词：锂离子动力电池；生产工艺；能耗分析；能效水平；节能措施DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.019Research on Energy Saving Potential of Lithium-ionPower Battery Production ProjectsWU XinliangNanjing Engineering Consulting Center Co.,Ltd.Abstract:With the in-depth implementation of carbon neutrality,the new energy vehicle industry andother strategic emerging industries will further develop,and the market demand for lithium-ion powerbatteries as the core parts of new energy vehicles will further increase.Lithium-ion power battery pro-duction projects usually have high energy consumption.We will conduct in-depth research on the ener-gy saving potential of lithium-ion power battery production projects from aspects such as producttypes,production processes,energy consumption analysis,energy efficiency analysis and energy sav-ing measures,in order to provide reference and suggestions for improving the energy saving and con-收稿日期：2022-08-11作者简介：吴鑫亮（1989-08-），男，硕士，主管，工程师，研究方向为工程项目管理、节能511SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 引言2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上承诺将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和1。这是中国首次提出碳中和目标，在这一目标的背后，是中国新能源产业快速发展、技术水平快速提升给予的强有力支撑，而锂离子动力电池作为新能源领域的重要一环，将再次进入发展的快车道，成为中国政府达成碳中和目标的重要组成部分。动力锂离子电池的研究和应用是实施国家新能源战略的重要途径，如今我国锂离子动力电池的关键材料、技术及产品研发方面已获重大突破，大容量锂离子动力电池发展也处于国际领先水平。随着越来越多的锂离子电池生产项目投产，其能源消耗大的特点越来越引起关注。1 锂离子动力电池行业现状2021年我国电池制造行业营业收入1.2万亿元，利润约687亿元，同比增长34.7%，但受原辅材料价格上涨等因素影响，电池行业营业收入利润率近5%2。随着新能源汽车产业加速发展，锂离子电池产业也迎来更大机遇。智研咨询发布的2021-2027年中国锂电池设备行业市场全景评估及投资策略研究报告 显示：2020年全球锂电池出货量为259.5 GWh，同比增长34%，预计到2025年将达到 1 135.4 GWh，相比 2020 年增长 337.5%。到2030年为6 486.6 GWh。2 锂离子动力电池产品类型锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜组成，锂离子电池的性能与正极、负极、电解质及隔膜材料的选择密切相关3。通常正极材料决定锂离子动力电池性能，安全性能与循环寿命是动力电池最重要的技术指标，当前磷酸铁锂和三元复合材料作为正极材料技术相对成熟，三元复合材料电池能量密度更高，但是安全性稍差，磷酸铁锂电池则正好相反。磷酸铁锂和三元锂离子电池都是当前市场上的主流产品，当前大多锂离子动力电池企业三元电池产品能量密度为220235 Wh/kg，磷酸铁锂电池能量密度一般在160170 Wh/kg。负极材料通常多为石墨。电解液通常含锂盐和有机溶剂。锂离子电池隔膜主要提供电解液中锂离子的迁移通道，并隔绝正负极反应避免短路的发生，对锂离子电池的安全性等具有重要的影响4，隔离膜多为多孔高分子薄膜。3 锂离子动力电池生产工艺一般而言，锂离子电池的生产工艺主要包括制浆工艺、涂膜工艺、装配工艺和化成工艺等 5。锂离子电池生产工艺主要为电芯生产，而电芯工艺流程主要由3段工序组成，即前工序极片制备工序、中工序电芯装配工序、测试工序电芯活化及测试。极片制备工序段主要包括自动加料、搅拌、涂布、辊压、极片成型工序，是电池生产的核心工序。自动加料是将正负极活性材料、黏结剂、导电碳及溶剂等按比例加入搅拌罐。搅拌即按照设定好的搅拌速度和时间将搅拌罐中的材料混合均匀，制备正负极浆料用于涂布。涂布是将制好的浆料用涂布机按一定极片面密度及厚度需要均匀地涂覆于金属薄片。辊压指涂布完成的成卷正负极片由辊压机辊压到指定厚度。极片成型指极片经过极片成型工序后，使极片的宽度和极耳尺寸形状达到设计尺寸。sumption reduction level of lithium-ion power battery production projects under the Double Carbongoal.Key words:Lithium-ion Power Battery;Production Process;Energy Consumption Analysis;EnergyEfficiency Level;Energy Saving Measures512SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018电芯装配工序段主要包括卷绕、X射线检测、极耳超声波焊接、包裸电芯保护膜、入壳、激光焊接、密封性检测、真空烘烤和注液工序，此工序段工序较多，工序复杂。卷绕是将正极、负极和隔离膜按一定次序卷绕制成裸电芯。X射线检测用于检查卷绕裸电芯的极片对齐情况，剔除极片对齐度差电芯。极耳超声波焊接是将裸电芯的极耳和顶盖的极柱焊接起来。包裸电芯保护膜是指裸电芯表面包保护膜保护裸电芯。入壳即是将包好保护膜的裸电芯放入铝壳中，待后工序激光焊接。激光焊接是将顶盖和铝壳密封焊接起来，并达到一定焊接强度。密封性检测是检测焊接后壳体的密封性，保证电芯密封性良好。真空烘烤则是去除裸电芯中水分，提升电芯品质。注液是在电芯中注入电解液，图1 锂离子电池生产工艺流程图提供离子通道。电芯活化及测试工序段主要包括化成、密封钉焊接、容量测试、自放电测试、包绝缘膜、尺寸及外观检测工序，此工序段主要目的是对电芯活化和检测。化成是指在一定温度下，对电池进行充电，在负极石墨端形成稳定的SEI。密封钉焊接是采用激光焊接方式将注液孔密封，隔绝电芯内外环境。容量测试则是检测生产电芯的容量。自放电测试是通过OCV测试，判断电芯自放电率。锂离子电池生产工艺流程图见图1。4 锂离子动力电池生产项目能耗分析锂离子动力电池生产项目主要消耗电力和天然气（或蒸汽），其中电力消耗包括主要生产设备及辅助生产设备耗电、各类辅助建筑的照明插座及暖通空调耗电等，而天然气一般用于锅炉自制蒸汽，蒸汽用于涂布机烘箱、厂房除湿及冬季供暖等。一般锂离子动力电池生产项目电力消耗占项目综合能源消耗量的50%至70%，天然气（或蒸汽）消耗占项目综合能源消耗量的30%至50%。锂离子动力电池主要用电工序包括电池单体生产线的正负极搅拌、正负极涂布、真空干燥系统、化成分容等工序，动力电池生产应优先选用国内外先进及成熟的生产工艺达到用能工艺的节能要求。4.1 主要耗能工序节能分析4.1.1 合浆工序节能分析合浆工序推荐采用行星搅拌工艺，行星搅拌工艺其行星搅拌轴高速转动使物料受到机械强烈的剪切与捏合的作用，从而达到物料的充分乳化、分散和混合的目标，该工艺效率高，物料不黏壁，出料干净，同时还有低噪音、耐腐蚀、零泄漏、集成化高锂离子动力电池生产项目节能潜力研究513SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018的优点，能够保证成品的品质、缩减搅拌时间。一般搅拌桨利用变频调速，不同情况下使用不同转速，能够有效减少不必要的电力消耗。4.1.2 涂布工序节能分析真空蒸镀、化学沉积等传统涂布工艺很难大规模生产，当今涂布工艺多采用辊涂、落帘涂布、浸涂等方式，但都存在明显的缺陷，比如采用浸涂方式不易控制涂布量，落帘涂布易受车速等因素影响。采用由变频器控制各级张力的涂布机，利用传感器控制张力，再利用PLC实现驱动辊变频器速度控制，伺服电机直接输出张力，实现高速涂布，同时节约电耗，提高能源利用效率。4.1.3 烘烤工序节能分析烘烤工序一般采用自动真空烘烤生产线，在真空状态下进行烘烤，去除极芯制作中吸入的微量水分，确保极片干燥，烘烤工艺依次为升温、恒温和降温，结构简单，能耗较低。4.1.4 化成分容工序节能分析化成分容柜对电池进行充放电测试，记录电池电压、电流、容量、充放电曲线、开路电压等数据。各种检测数据上传储存到数据库，化成工序是生产过程的关键技术工艺，也是整个项目电耗较大的环节，选择可以回收电芯放电电力的设备节能效果显著。4.2 主要生产设备及辅助设备节能分析4.2.1 主要生产设备节能分析锂离子动力电池生产项目主要用能设备有搅拌机、涂布机、烘烤设备、化成分容柜、制冷设备等。主要生产设备选型不仅应与生产能力相匹配，还需具备先进、经济、可靠等特性，各类设备电动机应