本文以某10GWh產(chǎn)能規(guī)模的儲(chǔ)能鋰離子電池工廠為例，對儲(chǔ)能鋰離子電池工廠的工藝荷載要求、工藝凈高要求、潔凈度控制、溫濕度控制、照度要求、工藝動(dòng)力用量等方面進(jìn)行分析，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段將各工序的工藝要點(diǎn)與土建工程和機(jī)電工程充分結(jié)合，為建設(shè)高品質(zhì)的儲(chǔ)能鋰離子電池工廠提供一些參考。
鋰離子電池工廠的主流建設(shè)規(guī)模從幾個(gè)GWh快速發(fā)展到幾十個(gè)GWh，已進(jìn)入TWh時(shí)代。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年開工建設(shè)的10GWh產(chǎn)能以上的儲(chǔ)能鋰離子電池工廠多達(dá)30家，總投資規(guī)模高達(dá)1000億元。
生產(chǎn)廠房規(guī)模和面積都呈現(xiàn)出巨大增長，同時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池的質(zhì)量和安全要求也在不斷提高，因此對工廠建設(shè)和管理提出的要求也更高。
鋰離子電池生產(chǎn)車間的主要作用在于控制鋰離子電池產(chǎn)品所接觸大氣的潔凈度及溫、濕度，使工人能在一個(gè)良好環(huán)境空間中生產(chǎn)、制造、測試產(chǎn)品，并且還應(yīng)提供適宜的工藝荷載要求、工藝凈高要求、工藝動(dòng)力用量及品質(zhì)。
這些鋰離子電池工廠建設(shè)的工藝條件必須在工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)階段充分考慮，并指導(dǎo)土建工程的設(shè)計(jì)和施工，為運(yùn)營階段的成本控制和產(chǎn)品質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，滿足高品質(zhì)儲(chǔ)能鋰離子電池工廠的建設(shè)目標(biāo)。
以某儲(chǔ)能用鋰離子電池產(chǎn)品工廠建設(shè)項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為10GWh，包含電芯、模組和Pack全工藝流程。采用磷酸鐵鋰材料的電芯產(chǎn)品的容量規(guī)格主要有兩種，分別為100Ah和280Ah。
如圖1所示，總平面布局分為辦公研發(fā)區(qū)、倉儲(chǔ)功能區(qū)、公用工程區(qū)、核心生產(chǎn)區(qū)4個(gè)部分。其中，核心生產(chǎn)區(qū)由儲(chǔ)能電芯廠房1、儲(chǔ)能電芯廠房2、模組Pack廠房共3棟建筑組成。
2.規(guī)劃設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)
儲(chǔ)能用鋰離子電池工廠的核心生產(chǎn)區(qū)是電芯廠房和模組Pack廠房，也是工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此筆者主要討論和分析核心生產(chǎn)區(qū)的3棟建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)，并且結(jié)合產(chǎn)品的使用用途、工藝路線、設(shè)備選型、材料要求等特點(diǎn)，為行業(yè)建設(shè)高品質(zhì)的同類工廠提供參考和依據(jù)。
鋰離子電池生產(chǎn)的主要工藝區(qū)劃可分為制漿工序、涂布工序、輥壓工序、卷繞工序、裝配工序、注液工序、化成工序、分容工序、檢測工序、存儲(chǔ)工序、模組Pack等。
相應(yīng)地，主要設(shè)備有合漿機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分切機(jī)、卷繞機(jī)、疊片機(jī)、裝配線、注液機(jī)、化成設(shè)備、分容設(shè)備、電壓內(nèi)阻檢測機(jī)、模組Pack組裝線等。
經(jīng)過綜合考慮產(chǎn)能競爭力，100Ah電芯生產(chǎn)線的產(chǎn)能設(shè)計(jì)為4GWh，280Ah電芯廠房的產(chǎn)能設(shè)計(jì)為6GWh。
相應(yīng)的設(shè)備規(guī)格和選型以上述生產(chǎn)能力為依據(jù)。從表1可看出，工藝荷載設(shè)計(jì)要求可劃分為5個(gè)區(qū)間等級(jí)：10～15kN/m2、15～20kN/m2、20～25kN/m2、25～30kN/m2、30～35kN/m2。
在第1個(gè)區(qū)間10～15kN/m2的工序是檢測工序和100Ah電芯裝配工序。
第2個(gè)區(qū)間15～20kN/m2的工序是卷繞工序、280Ah電芯裝配工序、注液工序、化成工序、分容工序、模組Pack工序。
第3個(gè)區(qū)間20～25kN/m2的工序是制漿工序和涂布工序。
第4個(gè)區(qū)間25～30kN/m2的工序是輥壓工序。該工序采用的輥壓分切一體機(jī)的設(shè)備重量和工作時(shí)的載荷均較大。
第5個(gè)區(qū)間30～35kN/m2的工序是包裝存儲(chǔ)工序。該工序采用的設(shè)備為高架立體庫堆垛機(jī)，有較大和存儲(chǔ)容量。
工藝凈高與設(shè)備規(guī)格選型直接相關(guān)，另外還與各生產(chǎn)廠家及國內(nèi)外設(shè)備設(shè)計(jì)差異有關(guān)。結(jié)合國內(nèi)、外主流設(shè)備廠家和設(shè)備規(guī)格型號(hào)進(jìn)行分析，并給出一定的范圍值供參考，但在實(shí)際項(xiàng)目中可能還涉及其它特殊工藝和設(shè)備需求及因素，需在給定條件下綜合考慮和選擇。
從表2可看出，工藝凈高設(shè)計(jì)要求可劃分為5個(gè)區(qū)間等級(jí)：3～4m、4～5m、8～10m、11～13m、21～23m。
在第1個(gè)區(qū)間3～4m的工序是輥壓工序、卷繞工序、裝配工序、檢測工序。
第2個(gè)區(qū)間4～5m的工序是注液工序、模組Pack工序。
第3個(gè)區(qū)間8～10m的工序是化成工序和分容工序。該工序采用的是多層形式的化成設(shè)備、分容設(shè)備和靜置設(shè)備。
第4個(gè)區(qū)間11～13m的工序是涂布工序。該工序所采用雙層涂布機(jī)的烘箱段的層高在11m以上。
第5個(gè)區(qū)間21～23m的工序是制漿工序和包裝存儲(chǔ)工序。該工序采用的設(shè)備為垂直一體式拆包機(jī)和高架立體庫堆垛機(jī)，層高達(dá)20m以上。
按照原材料特性、工藝要求、生產(chǎn)安全性、工廠經(jīng)濟(jì)性等因素來考慮，鋰離子電池各生產(chǎn)車間的潔凈度可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。
從表3可看出，潔凈度設(shè)計(jì)要求可劃分為3個(gè)等級(jí)：1萬級(jí)、10萬級(jí)、100萬級(jí)。
涂布工序和卷繞工序潔凈度要求較高，而且電芯質(zhì)量對金屬異物和磁性顆粒物比較敏感，所以需要采用1萬級(jí)的控制等級(jí)，但是由于涂布工序的烘箱段采用密閉結(jié)構(gòu)，潔凈度不需要特別管控。
第2個(gè)等級(jí)10萬級(jí)的工序是制漿工序、輥壓工序、裝配工序、注液工序、化成工序。
第3個(gè)等級(jí)100萬級(jí)的工序是分容工序和檢測工序。該工序前電芯已經(jīng)完成封口密封，所以潔凈度要求相對較低。另外，包裝存儲(chǔ)工序和模組Pack工序按照常規(guī)環(huán)境設(shè)計(jì)即可。
按照正負(fù)極原材料特性、工藝要求、生產(chǎn)安全性、工廠經(jīng)濟(jì)性等因素來考慮，鋰離子電池各生產(chǎn)車間的溫、濕度要求有較大變化，尤其是濕度要求，所以各相鄰工序車間應(yīng)做好密閉和人員管理，保證車間內(nèi)的溫、濕度條件達(dá)標(biāo)，以及降低不必要的能耗。各項(xiàng)目也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整溫、濕度要求。
從表4可看出，溫度設(shè)計(jì)要求分為3個(gè)類別：（23±3）℃、（25±3）℃、（45±5）℃。
在分容工序，如果溫度發(fā)生變化，測量數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致容量數(shù)據(jù)失真，所以按照（25±3）℃類別管控。
化成工序相對特殊，產(chǎn)生較多熱量，但無需完全排出全部熱量，而且該工序作業(yè)人員較少，作業(yè)頻次較低，所以控制在（45±5）℃的范圍內(nèi)即可。
濕度設(shè)計(jì)要求類別比較多樣。正極材料的制漿工序、涂布工序、輥壓工序均采用相對濕度≤20% 的設(shè)計(jì)條件。
負(fù)極材料的制漿工序采用相對濕度 ≤50 % 的設(shè)計(jì)條件。負(fù)極材料的涂布工序和輥壓 工序采用相對濕度 30 %～40 % 的設(shè)計(jì)條件。
卷繞工序、裝配工序采用相對濕度 ≤10 % 的設(shè)計(jì)條件。注液工序和化成工序采用露點(diǎn) ≤-40 ℃ 和管控設(shè)計(jì)條件。
分容工序、檢測工序、包裝存儲(chǔ)工序采用相對濕度 ≤60 % 的設(shè)計(jì)條件。模組 Pack 工序采用常規(guī)濕度環(huán)境條件即可。
按照各工序操作工人數(shù)量和是否有目視檢查等作業(yè)需求，參考表5中匯總的照度設(shè)計(jì)要求。從表5可看出，照度設(shè)計(jì)要求可劃分為4個(gè)等級(jí)：200lx、300lx、350lx、450lx。存儲(chǔ)工序主要采用堆垛機(jī)作業(yè)，所需操作工人較少，所以采用200lx等級(jí)即可。
注液工序、化成工序、分容工序人工作業(yè)也相對較少，可采用300lx的照度等級(jí)。輥壓工序、卷繞工序、裝配工序、模組Pack工序人工作業(yè)相對較多，所以采用350lx的照度等級(jí)。制漿工序、涂布工序和檢測工序有人員目檢工作，所以采用最高的450lx照度等級(jí)。
2.6工藝動(dòng)力用量設(shè)計(jì)要求
按照10GWh的電芯總產(chǎn)能和5GWh的模組PACK總產(chǎn)能進(jìn)行動(dòng)力用量的設(shè)計(jì)評估，主要?jiǎng)恿δ茉捶N類為用電、自來水、冷卻水、純水、壓縮空氣、工藝真空、氮?dú)?、蒸汽、廢水、廢氣等10項(xiàng)。為了簡化處理，相關(guān)動(dòng)力用量只拆分到3個(gè)主廠房，未細(xì)分到各個(gè)工序。
表6中數(shù)據(jù)為核心生產(chǎn)區(qū)3個(gè)廠房的動(dòng)力用量消耗，不包含辦公研發(fā)區(qū)、倉儲(chǔ)功能區(qū)、公用工程區(qū)的能源消耗。
由此可見，儲(chǔ)能電池工廠的能源消耗量比較大，所以在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮采用節(jié)能設(shè)備以及綠色建筑材料，在屋頂配備光伏發(fā)電設(shè)備，對NMP（中文名稱N-甲基吡咯烷酮）回收采用高效能量回收裝置，選擇合理的工業(yè)循環(huán)水溫差，采用高效轉(zhuǎn)輪吸附除濕空調(diào)機(jī)組，對動(dòng)力站房的冷熱負(fù)荷余熱進(jìn)行回收利用。
采用上述能源優(yōu)化措施后，可以將能耗指標(biāo)控制在0.35t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量/萬Ah的較低水平。
綜上所述，儲(chǔ)能鋰離子電池工廠的建設(shè)需要考產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝路線、設(shè)備選型、材料特性等多種因素，建設(shè)高質(zhì)量的電池工廠需要同時(shí)滿足工藝荷載要求、工藝凈高要求、潔凈度要求、溫濕度要求、工藝動(dòng)力用量及品質(zhì)要求等。
因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)將這些條件融入到土建工程的各個(gè)環(huán)節(jié)中，從而工廠運(yùn)營階段的競爭力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
參考資料：儲(chǔ)能鋰離子電池工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)；作者：徐先華*，程星華，劉書傾，陳保紅，張金龍（中國電子工程設(shè)計(jì)院有限公司）
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