Применение системы дозирования при производстве литиевых аккумуляторов 

Система дозирования ингредиентов является ключевым компонентом «основного процесса» на линиях по производству литиевых батарей, непосредственно определяя однородность сырья для последующего производства элементов и конечные характеристики продукта. Ее применение охватывает два важных этапа: подготовку материалов для катода и анода литиевых батарей и составление растворов электролита, покрывая весь спектр от лабораторных исследований и разработок до крупномасштабного массового производства. Ниже приводится подробный анализ ее конкретных применений на линиях по производству литиевых батарей с акцентом на трех ключевых аспектах: основные этапы применения, критические сценарии применения и ценность применения.

I.Основной процесс применения: охватывает весь рабочий процесс подготовки сырья для литиевых батарей

Этап «сырье → полуфабрикаты» на линиях по производству литиевых батарей (а именно процесс «дозирование — приготовление суспензии») полностью зависит от систем дозирования. Требования к материалам значительно различаются на разных этапах, что требует адаптации системы к характеристикам материалов (твердые порошки / жидкие растворители / высокореактивные добавки) и спецификациям процесса:

1.Состав катодного материала: высокоточный контроль определяет энергетическую плотность элемента.

Катодные материалы составляют основу энергетической плотности литий-ионных батарей (такие как литий-железо-фосфат LFP и тройные материалы NCM/NCA). Их состав требует строгого контроля соотношения «активный материал + проводящее вещество + связующее вещество», чтобы предотвратить снижение емкости или риски для безопасности, возникающие в результате отклонений в составе.

Детали заявки:

- Обработка материалов: Активные материалы катода (например, порошок NCM811 с размером частиц D50≈8 мкм) склонны к поглощению влаги и образованию пыли. Система дозирования должна использовать герметичные силосы + пневматическую транспортировку с отрицательным давлением, с интегрированными устройствами осушения (точка росы ≤-40 °C) внутри силосов, чтобы предотвратить ухудшение электрохимических характеристик, вызванное поглощением влаги материалами.

-Точность измерения: Проводящие вещества (такие как сажа SP, составляющая всего 1-3% по весу) оказывают решающее влияние на проводимость. Для обеспечения точного микродозирования необходимо использовать статический дозирующий бункер (точность ±0,1%); Связующие вещества (например, PVDF, растворенный в растворителе NMP), находясь в жидком состоянии, требуют дозирования с помощью системы «шестеренчатый насос + весовой смеситель», чтобы предотвратить отклонения в пропорциях, вызванные остатками в трубопроводе.

Процесс смешивания: смешивание твердых и жидких компонентов осуществляется с помощью двойного планетарного смесителя, работающего со скоростью перемешивания 100–500 об/мин в течение 30–60 минут. В результате получается катодная суспензия с содержанием твердых веществ 60–70 %. Однородность (значение CV) не должна превышать 3 %, так как отклонения приведут к неравномерной проводимости по всей поверхности покрытого электрода, что ухудшит эффективность заряда-разряда элемента.

2.Состав анодного материала: контроль агломерации для обеспечения срока службы

Материал анода в основном состоит из графита (натурального графита / синтетического графита), при этом основной целью состава является предотвращение агломерации графитового порошка при обеспечении равномерного покрытия связующим веществом (таким как SBR-стирол-бутадиеновый каучук), что повышает стабильность цикла анода.

Детали заявки

-Перемещение материала: графитовый порошок (размер частиц D50≈15 мкм) обладает отличной сыпучестью, но образует значительное количество пыли. В системе дозирования используется шнековый конвейер + импульсный пылеуловитель, что позволяет в режиме реального времени улавливать пыль во время транспортировки и предотвращать загрязнение цеха.

-Дозирование и смешивание: графит (более 90% по весу) непрерывно дозируется с помощью динамического весового шнека (производительность до 1000 кг/ч). Связующее вещество (SBR+CMC) представляет собой водный раствор, дозируемый с помощью «мембранного насоса + объемного расходомера» (точность ±0,2%). На этапе смешивания обычно используются высокоскоростные эмульгирующие смесители. Высокоскоростное сдвиговое воздействие (скорость вращения 1000-2000 об/мин) разрушает агломераты графита, образуя однородную анодную суспензию. Это обеспечивает отклонение толщины покрытия электродного листа ≤5 мкм.

-Особые требования: Некоторые аноды высокой емкости (например, аноды на основе кремния) требуют добавления эластичных связующих веществ. Система дозирования должна поддерживать «последовательное дозирование нескольких компонентов» (сначала добавляется смесь графита и кремниевого порошка, затем добавляется связующее вещество), чтобы предотвратить прямую реакцию между кремниевым порошком и связующим веществом, которая может привести к агломерации суспензии.

3.Состав электролита: коррозионно-стойкий + взрывозащищенный, обеспечивающий чистоту и безопасность

Электролит служит «каналом транспорта ионов» в литиевых батареях и состоит из «растворителя (например, EC/DMC) + литиевой соли (например, LiPF₆) + добавок (например, VC)». Состав ингредиентов требует строгого контроля содержания влаги (≤10 ppm) и уровня примесей, а также снижения рисков, связанных с гидролизом литиевой соли при воздействии влаги, в результате которого образуется HF (коррозионный газ), и воспламеняемостью растворителей.

Детали заявки:

- Хранение и транспортировка материалов: растворители (воспламеняющиеся) хранятся в взрывозащищенных герметичных резервуарах (с азотной подушкой), а соли лития (гигроскопичные) — в силосах типа перчаточного ящика (содержание влаги ≤5 ppm). В трубопроводах для транспортировки используется нержавеющая сталь 316L (устойчивая к коррозии под воздействием HF), что позволяет поддерживать полностью закрытую систему без контакта с воздухом на протяжении всего процесса.

- Точность дозирования: соли лития (10–15 % по весу) оказывают решающее влияние на проводимость. При использовании системы дозирования на основе взвешивания (например, запатентованной технологии Liuzhou Fensai) соли лития всасываются вакуумом непосредственно в емкость для смешивания электролита, оснащенную функцией взвешивания, что позволяет достичь точности дозирования ≤±0,05 %. Добавки (например, VC, 0,5–2 % по весу) представляют собой следовые, высокореактивные вещества. Они точно дозируются с помощью микродозирующих насосов (минимальная скорость подачи 0,1 мл/мин).

- Смешивание и удаление примесей: Смесительная емкость оснащена низкотемпературной рубашкой (температура контролируется на уровне 20-25 °C для предотвращения разложения LiPF₆) со скоростью перемешивания 50-100 об/мин. После смешивания электролит проходит «точную фильтрацию (размер пор 0,22 мкм)» для удаления примесей. Система приготовления должна быть оснащена фильтрационным устройством для обеспечения чистоты электролита.

II.Основные сценарии применения: адаптация полной сцены от НИОКР до массового производства

Система ингредиентов — это не отдельное оборудование, а индивидуальная конструкция, адаптированная к «производственной мощности», «типу продукции» и «требованиям технологического процесса» литий-ионной батареи, которая охватывает различные сценарии применения:

1.Сценарий лабораторных исследований и разработок: небольшие партии, разнообразные линейки продуктов, высокая точность

-Требования: на этапе НИОКР требуется частое тестирование различных составов (например, корректировка соотношения материалов катода, испытание новых добавок). Размеры партий невелики (обычно 50–500 г), но требования к метрологической точности чрезвычайно высоки.

-Применение системы дозирования: использует компактную модульную дозирующую машину, оснащенную микровесовыми датчиками (точность 0,01 г) и ручным/автоматическим переключением режима подачи. Поддерживает одновременное дозирование 2-5 материалов с объемом смесительной емкости ≤10 л, подходит для быстрой проверки эффективности рецептуры (например, тестирование срока службы новых анодов).

2.Сценарий пилотной производственной линии: соединение НИОКР и массового производства, валидация процессов

-Требование: Пилотные производственные линии обычно работают с мощностью 10-100 МВтч. Эти линии должны подтвердить осуществимость масштабированных «лабораторных рецептур» при оптимизации параметров процесса (таких как продолжительность смешивания и скорость дозирования), тем самым обеспечивая поддержку данных для полномасштабных производственных линий.

-Применение системы дозирования: используется полуавтоматическая линия дозирования, объединяющая 2-3 независимых дозирующих устройства (соответствующих катоду, аноду и электролиту), поддерживающая переключение режима смешивания «партия + непрерывный». Оснащена модулями онлайн-детектирования (такими как измерители вязкости суспензии и анализаторы влажности), позволяющими в режиме реального времени контролировать параметры процесса. Например, регулировка скорости перемешивания позволяет поддерживать вязкость катодной суспензии в пределах 5000-8000 сП (оптимальная для нанесения покрытия).

3.Сценарии массового производства: высокая производительность, высокая степень автоматизации, низкое энергопотребление.

-Требования: Массовые производственные линии (такие как заводы CATL и BYD мощностью в гигаватт-часы) обычно работают с производительностью 1–50 ГВт-ч в год. Необходима непрерывная стабильная работа (24 часа в сутки без перерывов) при одновременном контроле затрат на рабочую силу и отходов материалов.

-Применение системы дозирования: Используя полностью автоматизированную интеллектуальную линию дозирования, основная конфигурация включает в себя:

-Координация нескольких бункеров: 10–20 герметичных бункеров (в каждом из которых хранятся разные сырьевые материалы) автоматически пополняют запасы с помощью датчиков уровня, предотвращая дефицит материалов;

-Непрерывное дозирование и смешивание: в катоде используется «динамический дозирующий шнек + топологический смеситель с двумя роторами» (согласно технологии Pailer Lithium Battery Technology), что обеспечивает непрерывное «дозирование – смешивание – разгрузку». Это повышает производственную мощность на 20–30 % и снижает эксплуатационные расходы на 50 %.

-Полностью автоматизированный процесс: благодаря PLC+MES (система управления производством) весь рабочий процесс — от извлечения рецептуры до дозирования ингредиентов, смешивания и транспортировки — работает в автоматическом режиме. Данные автоматически загружаются в систему MES, что обеспечивает отслеживаемость партии (например, когда партия электролита демонстрирует аномалии, данные дозирования литиевой соли можно быстро отследить).

-Быстрая смена: благодаря системе CIP (Clean-in-Place) очистка трубопроводов и реакторов при смене материалов (например, при переходе с катодов LFP на катоды NCM) занимает не более 30 минут, что сводит к минимуму время простоя.

III. Прикладная ценность: определение «качества, эффективности и стоимости» производства литиевых батарей

Применение системы ингредиентов на линиях по производству литиевых батарей служит не просто инструментом для «смешивания сырья», но и ключевым элементом, обеспечивающим стабильность производства и конкурентоспособность продукции. Его ценность проявляется в первую очередь в трех аспектах:

1.Обеспечение качества продукции: контроль стабильности качества с самого источника

«Стабильность емкости», «срок службы» и «безопасность» литиевых батарей зависят от точности состава ингредиентов:

-Если измерение активного материала положительного электрода отклоняется на 0,5%, это может привести к отклонению емкости элемента более чем на 3%, что повлияет на серийно-параллельную производительность аккумуляторной батареи;

-Если содержание электролита в воде превышает допустимый предел (＞10 ppm), это приведет к разложению соли лития с образованием HF, что вызовет коррозию материала электрода и сократит срок службы более чем на 20%;

Система ингредиентов предотвращает такие проблемы на корню благодаря точности дозирования от ±0,1% до ±0,2% и производственной среде, свободной от пыли и влаги, что обеспечивает отклонение характеристик в пределах одной партии элементов ≤2%.

2.Повышение эффективности производства: сокращение простоев и затрат на рабочую силу

- На линиях массового производства традиционное ручное дозирование требует 3-5 человек на смену и подвержено простоям из-за человеческих ошибок; полностью автоматизированные системы дозирования позволяют работать без участия человека, сокращая затраты на рабочую силу на 80% и устраняя простои, вызванные человеческими ошибками (коэффициент простоев снижен с 5% до менее 1%).

- Системы непрерывного дозирования (такие как Contomix™ от Shangshui Intelligent) обеспечивают производительность, превышающую производительность традиционных систем дозирования более чем на 50 %. Одно устройство может обеспечить потребности производственной линии в 10 ГВт·ч в год, что значительно повышает общую эффективность производственной линии.

3.Контроль производственных затрат: сокращение потерь материалов и энергопотребления

- Высокоточный дозирование в системе ингредиентов снижает потери материала: например, при стоимости литиевой соли (LiPF6) около 200 000 иен за тонну, снижение погрешности дозирования с 1% до 0,1% может сэкономить производственной линии мощностью 50 ГВтч около 9 миллионов иен в год на затратах на литиевую соль.

- Энергосберегающие конструкции (такие как двигатели перемешивания с переменной частотой и рекуперация отработанного тепла) снижают потребление энергии: некоторые интеллектуальные системы дозирования (например, двухшнековые системы измельчения Mannesmann) обеспечивают снижение потребления энергии более чем на 50 % по сравнению с традиционным оборудованием, что позволяет сэкономить на электроэнергии более одного миллиона юаней в год.

Таким образом, система дозирования ингредиентов служит «сердцем» линий по производству литиевых батарей. Ее применение охватывает основные процессы от сырья до полуфабрикатов. Благодаря точному дозированию, автоматическому контролю и адаптируемости к любым сценариям, она напрямую определяет стабильность качества, эффективность производства и конкурентоспособность литиевых батарей по стоимости. Эта система является критически важным оборудованием, позволяющим предприятиям по производству литиевых батарей достичь «высококачественного крупномасштабного производства».