关于锂电池正极材料及前驱体厂房内设备外壳、管道及支架材质选用方案探讨

高养侠，王晓非，刘 勇

（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410021）

正极材料及前驱体是锂离子电池的关键核心材料之一，其性能直接影响了锂离子电池的各项性能指标，锂电池正极材料及前驱体为近几年发展的新兴行业，其设计及施工均在摸索中不断完善，对于锂电池正极材料及前驱体各专业（包含工艺、给排水、暖通、电气、动力）在选用裸露的设备、管材及附件中时往往不予重视，通常按传统工艺设计选择设备、管材的材质，造成正极材料及前驱体品质下降，直接影响后期锂电池包的品质[1,2]。

1 锂电池正极材料及前驱体厂房内严禁含铜铁锌的设备、管道及支架裸露原因分析

正极材料及前驱体生产过程中，微细的金属单质（金属单质是由同种金属元素形成的纯净物。金属单质是单质的一种类别[3]。

一般来说，单质的性质与其元素的性质密切相关。比如，很多金属的金属性都很明显，那么它们的单质还原性就很强）进入正极材料及前驱体中可能会引起锂离子电池内部微短路，造成起火或爆炸，电池化成阶段的电压达到这些金属元素的氧化还原电位后，这些金属就会先在正极氧化再到负极还原，当负极处的金属单质累积到一定程度，其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜，造成电池自放电。自放电对锂离子电池会造成致命的影响，因而从源头上防止金属异物的引入就显得格外重要。

所以金属单质是影响成品电池安全性的重要因素，在正极材料生产过程中应特别加以关注[4]。

铜、锌、铁等金属单质对锂离子正极材料的性能影响最大，为防止金属单质对正极材料的污染，锂离子正极材料及前驱体中必须严格控制金属单质的含量。国外知名的锂离子电池厂家采购的正极材料，要求金属单质的含量低于20ppb，即低于20×10-9（十亿分之一），所以在正极材料及前驱体生产线上一般严禁使用含铜、锌、铁等金属单质的设备、管材及其附件裸露。正极材料及前驱体生产工序较多，制造过程中的每一个环节都会有金属异物带入的风险，这就对材料供应商的设备自动化程度及现场质量管理水平提出了更高要求。

铜、锌、铁等金属单质的引入主要由原材料中带入，制造过程中金属设备带入、生产环境中由于机器磨损、门窗开关磨损、设备外壳、管道及支架的老化、破损造成空气中微量金属单质的带入。

因此要求原材料厂家预先除铜铁锌，所有与物料接触的工艺设备采用非金属陶瓷部件或内衬和涂覆陶瓷或特氟龙涂层，生产车间内设备外壳、管道及支架严禁使用含铜、锌、铁等金属单质的设备外壳、管材及其附件。

2 各专业存在的问题及设计遗漏

（1）工艺生产设备是金属单质异物引入的主要环节，正极材料及前驱体物料需要与设备直接接触，与物料直接接触的设备要严防生锈、磨损、老化等现象，每一个环节均需严防金属单质异物的引入，严格要求满足对采购的原材料制定的金属异物标准。为了除去金属异物，正极材料及前驱体生产过程中的配混料、改性包覆、包装等工序均加入了电磁除铁机，但电磁除铁机对非磁性的金属单质铜、锌不起作用，因此厂房内更应避免铜、锌的使用。

此外还需要避免外界粉尘进入车间，对车间进行封闭和设置风淋门。

（2）电气专业除在电气竖井及专用房间内可按传统材质选择外，设计人员在材料表中专用房间及电井外的对箱体外壳、桥架、母线、选型一般有明确要求，譬如配电箱（柜）外壳采用喷塑型、环氧喷涂型、不锈钢型。桥架可以采用玻璃钢、不锈钢、复合型。

母线采用铝合金外壳、钢制外壳、、高防护型母线等有明确要求，但是对于支架及其固定的螺栓的材质等缺乏明确要求。再者，锂电池行业为新型行业，很多现场管理人员及施工人员也缺乏施工经验，则按传统选用角钢，从而影响工艺产品质量。

（3）动力专业除设置在空压机房、纯水机房等专用房间管道、设备可以选用传统材质外，设计人员在材料表中应明确规定管材及其附件的材质。笔者在实际翻阅过很多动力的设备材料，大多数明确了采用不锈钢无缝钢管、不锈钢法兰截止阀、不锈钢螺纹球阀（阀体材料为不锈钢），其主要管材满足了锂电池正极材料及前驱体不含铜铁锌的要求，但是往往忽略了支架及固定支架的膨胀螺丝的要求，从而对电池材料造成污染，影响品质。故在设计中，应明确这些支架及其附件的材质。

（4）暖通专业往往也是在选材中规定了管道的材质，譬如热力管采用不锈钢管道，管道连接采用焊接，热力管采用带铝箔的超细玻璃棉管壳进行保温，同时也避免了铜铁锌的外漏。

阀门仅规定其尺寸、型号、类型，但是缺乏材质要求。空调管、冷冻水水管同热力管一样存在主材有要求，或者要求不明确，有的仅要求为金属材质，但是具体无要求，造成采购及施工有误，从而影响产品的质量。

因防排烟管采用不锈钢或玻璃钢和风管，但是同样缺失支架及其附件的材质要求。

（5）给排水专业设备一般设置在室外或者专用房间，生产厂房内均为管道，包含消防、冷热水管、排水管、冷却水水管。室内冷、热水管均采用薄壁不锈钢管道、螺纹卡粘连接或卡压连接。消防管道采用内外涂塑钢管，采用沟槽连接，余者丝扣连接，阀门及需要拆卸部位采用法兰连接。重力排水管采用HDPE排水管、电热熔连接；压力排水管采用内外热镀锌钢管、丝接或法兰连接；室内重力雨水排水管采用HDPE排水管、电热熔连接。重力流雨水斗为87型、钢制。设计人员在设计说明中要求与设备、阀门、水表、水嘴等连接时，应采用专用管件或法兰连接。同样存在管材选择不当或阀门、联结件材质要求不明确的问题。

各专业存在共同的设计及施工缺陷均为未明确支架及其附件（包含固定的螺栓）的材质，造成采用传统的现场制作角钢、工字钢、吊杆，然后刷传统的防腐防锈漆。

3 各类材质的管材优劣分析

各专业在满足材质要求相同下，其不同材质支架将对投资成本及其性价比有很大影响。现对各类支架进线优略进行分析，如下表。

表1 各类支架进线优略分析表

4 解决方案

表2 解决方案

5 建议

（1）根据不同设备或管道支架跟物料的接触程度及影响程度，可采取不同的处理方式，如直接跟物料接触的采取非金属材质或加涂层、不直接接触的部件采取物理隔离的措施，如刷漆或包裹等。

（2）各专业建议采用做综合管网设计，采用成品综合支架，减少工程造价，节约成本，节约空间、管线美观、便于维护。各专业管线综合后，合理的计算其安装高度，从而可以降低建筑层高，进而节约土建成本。

（3）在设计中可以综合考虑管线的路由，设置封闭的综合管廊，可以采用传统的管材及支架，节约成本。