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，各类设备电动机应达到电动机能效限定值及能效等级（GB18613-2020）中2级及以上能效等级。使用大功率用电设备会引起电源波动，对变频器造成一定的影响，因此，在变频器输入端加入交流电抗器，不仅对变频器整流电路降低伤害，还能提高输入端功率因数。变频器的电子开关器件会导致输出电流中出现高次谐波，高次谐波会使电机发热，加速电机绝缘老化，因此需要在变频器输出端加入交流电抗器，抑制高次谐波，改善输出电流的波形，保证电机稳定运行。4.2.2 辅助生产设备节能分析锂离子动力电池生产项目辅助生产设备主要包括变压器、空压机、冷水机组、水泵、锅炉等。变压器应达到 电力变压器能效限定值及能效等级（GB 20052-2020）规定的2级及以上能效等级，配备变压器尽量选用SCB-14及以上型号。空压机建议采用水冷螺杆式，水冷与风冷式相比具有以下优点：水冷式空压机是靠水的循环将其热量带走，因而水冷空压机的冷却效果与空压机机房的环境有直接关系；水冷式空压机的冷却水塔在空压机房的外部，空压机的冷却水进水温度与空压机房的温度无关；水冷式空压机的冷却效果仅与冷却水的水质有关，因此只要把冷却水的水质保持好，冷却器就不会因为环境问题而堵塞。空压机需满足 容积式 空 气 压 缩 机 能 效 限 定 值 及 能 效 等 级（GB19153-2019）规定的2级及以上能效等级。此外，冷水机组、各类水泵、蒸汽锅炉等均需满足相关标准规范规定的能效等级或节能评价值。5 锂离子动力电池生产项目能效分析锂离子动力电池生产项目主要能效指标包括单位产品综合能耗、单位产品取水量、单位产品电耗、单位产值综合能耗等，能效对比标准通常包括国家电池行业规范、地方产业能效指南等。锂离子电池行业规范条件（2021年本）对锂离子动力电池项目从产业布局和项目设立、工艺技术和质量管理、产品性能、安全和管理、资源综合利用和生态环境保护、卫生和社会责任等六个方面有明确规定，其中关于电池项目能效要求提出“锂离子电池企业综合能耗应 400 kgce/万Ah”。电池行业清洁生产评价指标体系（国家发改委、环保514SHANGHAI 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部、工信部公告2015年第36号）根据评价指标的性质，分定量和定性两种指标。定量指标选取反映有关清洁生产目标的指标，综合考评企业清洁生产状况。定性指标用于考核企业对有关政策法规的符合性及其清洁生产工作实施情况6。动力锂离子蓄电池制造业绿色工厂评价要求（T/CESA1080-2020）对单位产品主要原材料消耗、NMP（N-甲基吡咯烷酮）回收率、工业固废综合利用率等方面作了明确规定。锂离子电池/锂原电池企业指标标准见表1。6 锂离子动力电池生产项目节能措施6.1 节能技术措施6.1.1 工艺及设备节能措施工艺及设备节能措施一般通过工艺优选、设备比选等方面考虑，如合理设计工艺流程参数，在满足工艺需求前提下，选用节能、低噪音型设备。工艺设备布置时尽量考虑物料传递顺畅，以减小中间物料的输送，优化设计，将相关的上下工序衔接合理，达到节能的目的。根据实际情况合理配置电机加工设备大小，避免大马拉小车现象。对于功率较大的电机（特别是动力设备）尽量采用高压电机，减少电能损耗。6.1.2 辅助系统节能措施辅助系统节能措施主要包括电气节能措施、空调系统节能措施、节水措施、可再生能源利用及其他节能措施等。辅助系统节能措施主要在于空调系统节能，锂离子电池生产过程需经过一定的周期，环境温度是各个阶段都要重视的一个因素，主要从以下几方面对生产过程产生影响：（1）对电池材料理化特性的影响；（2）对电池加工参数的影响；（3）对电池化成工艺的影响；（4）对电池老化及存储过程的影响。环境温度的失控或控制不精确，都会使锂离子电池的容量、电阻及安全特性等电化学特性产生较明显的恶化。生产过程的各阶段应在充分认识环境温度对电池物理特性及电化学特性影响的基础上，做到以下几点：（1）尽量将原材料保管在环境温度相对低的区域；（2）对于电极生产等关键工序的温度工艺参数进行合理优化；（3）在温度相对一致的生产环境中对电池进行化成和选别；（4）对于长期存储的电池，回避高温环境，处于低温环境更有利于保持各方面的性能。6.2 节能管理措施锂离子动力电池生产项目节能管理措施一般包括能源管理和能源计量两个方面，能源管理可以从制定节能管理制度、组建能源管理专业团队、健全能源管理机构、加强生产调度指挥、加强设备维表1 锂离子电池/锂原电池企业指标标准6一级指标生产工艺及设备要求资源能源综合消耗资源综合利用二级指标名称合浆涂布放电单位产品综合能耗单位产品取水量水重复利用率NMP（N-甲基吡咯烷酮）回收率单位kgce/万Ahm3/万Ah%国际先进值（I级基准值）密闭进料间歇式涂布能量回馈式3501.28097国内先进值（II级基准值）4001.57595国内平均值（级基准值）连续式涂布电阻消耗式6001.87090锂离子动力电池生产项目节能潜力研究515SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018护、开展节能教育、组织有关人员参加节能培训等方面组织实施，能源计量从建立能源计量制度、组建能源计量人员、建立能源计量器具体系、能源计量数据统计整理等方面开展工作。7 结语在碳达峰碳中和深入实施的背景下，锂离子动力电池在国内市场需求巨大，但行业竞争也日趋激烈。作为动力电池企业需要从多方面提升锂离子动力电池生产项目竞争力，充分挖掘锂离子动力电池生产项目节能潜力是推动动力电池企业高质量发展的重要抓手之一，可以有效提升我国锂离子电池行业清洁生产水平，促进锂离子电池行业健康发展。参考文献1庄贵阳,窦晓铭,魏鸣昕.碳达峰碳中和的学理阐释与路径分析 J.兰州大学学报（社会科学版）,2022,50(1):57-67.2 宋文龙,罗秋月,何艺,等.2021年我国电池产销情况 J.电池工业,2022,26（2）:85-89.3崔宇,刘文江.新能源汽车锂离子动力电池技术发展现状及前景分析 J.东北电力大学学报,2022,42（2）:41-48.4李翌浩然锂离子电池隔膜材料性质研究及展望 J.当代化工研究，2019(1):115117.5毛松科锂离子电池生产工艺及其发展前景 J.化工时刊，2019,33(9):2932.6国家发改委、环保部、工信部电池行业清洁生产评价指标体系：公告 2015 第36 号.年产绿氢千吨 氢装上阵（海东）产业园将于6月完工4月6日，记者从相关部门了解到，氢装上阵(海东)碳中和物联产业园一期项目主体建设工程已完成90%，预计该项目将于今年6月底验收，并投入使用。据了解，氢装上阵(海东)碳中和物联产业园规划用地20 hm2，建筑面积12万m2。其中，一期规划用地约14.8 hm2，总建筑面积92 275 m2，建设云仓5座84 594 m2，综合楼1座7 681 m2。二期规划用地约1.07 hm2，主要建设超级能源中心，包括绿电氢储能站、加氢站、氢能展厅、氢燃料电池车商用基地等设施。三期规划用地约4.67 hm2，主要建设氢燃料电池系统核心零部件产业基地，制氢、储氢、加氢设备研发和制造工厂、研发中心等设施。截至目前，一期项目智慧云仓(5栋)主体已全部完工，办公楼及设备用房主体封顶，综合楼主体三层封顶，完成投资3.1亿元。二期项目安评、环评及备案工作正在有序开展，预计5月底完成二期项目建设筹备工作。该项目建成后，年绿电制氢将达1 070 t，替代柴油2 810 t，减碳2 397 t，为当地提供上千个就业岗位，实现利税5 000万元，并以可再生能源绿氢动力带动氢能产业链集群，推动产业向清洁化、无碳化发展，实现我国碳达峰和碳中和的“双碳”目标。(来源：氢云链)516