“不那么干燥”的电池干燥室话题

“不那么干燥”的电池干燥室话题

干燥室是电池生产中经常被忽视的组成部分，但任何电池公司都会证实，干燥室对高质量电池制造至关重要。无论您是在实验室规模上制造电池原型，还是在千兆工厂中每天生产数百万个电池，您都需要以高精度和一致性控制环境的湿度。这就是干燥室发挥作用的地方。本文深入探讨了干燥室如此重要的原因，干燥室的实际工作原理，以及为什么干燥室将在未来很长一段时间内继续成为电池生产的关键方面。

为什么电池需要在干燥的条件下制造呢？

电池生产高度依赖制造商对环境条件（特别是湿度）的准确控制。在电池生产过程中，即使空气中的少量水分也会对电池质量产生深远影响。这是因为电池通常包含吸湿性元素，如锂和钠。这实际上意味着这些元素对水分有亲和力。例如，基于锂的电解质会与水反应生成氢气和水溶液氢氧化锂。该反应的化学方程式如下：

2Li + 2H₂O -> 2LiOH + H₂

在实际应用中，这种反应会导致细胞肿胀、循环寿命缩短和能量储存容量降低。在极端情况下，过高的湿度可能导致电池爆炸。因此，在操作过程中，特别是当对高度湿度敏感的电池组件暴露在环境中时，保持尽可能干燥的条件是至关重要的。

在我们量化电池组件对湿度的敏感性之前，我们必须先定义一些术语：

• 露点 是一个与湿度相关的环境属性。露点的正式定义是“在特定湿度和压力状态下，随着温度降低，水蒸气开始冷凝的温度”。露点越低，湿度越低。
• 相对湿度 (RH) 是另一个用来量化湿度的术语。RH 被定义为 空气中的水蒸气量作为在相同温度和压力下饱和空气中水蒸气量的百分比。因此，露点通常被认为是一种比 RH 更可靠的湿度测量方法，因为 RH 依赖于空气的温度，而露点则不受影响。

通常，锂离子电池制造商要求他们的干燥室保持大约-40°F的露点。以拉斯维加斯（一个著名的干燥城市）为例，平均露点约为30-40°F。尽管露点的差异高达约100°F，人类实际上并没有真正的能力去感知这种差异。两个环境只是感觉……干燥。

在露点为-40°F的干燥房间内对操作人员来说并不危险，但他们需要按时休息以补充水分。同样重要的是，这些操作人员避免直接对着湿度传感器或电池组件呼气，因为他们的 breath 含有相当多的水分。许多电池制造商正是出于这个原因，在他们的干燥房间内强制使用面罩。

硫基固态电池等新技术往往需要比锂离子电池更干燥的条件——露点低至-100华氏度！因为许多固态电解质非常容易被水分水解，从而形成硫化氢（H₂S）。这种气体是无色、易燃且高度有毒的，具有浓烈的臭鸡蛋气味——绝对是一种需要避免的气体！

无论是为了防止气体生成、最大化循环寿命，还是优化储能容量，有效的环境控制在电池生产中都是至关重要的。既然我们已经了解了干燥条件为何如此重要，让我们来探讨一下这些条件是如何实际创建和维持的。

干室是如何创造如此干燥的条件的？

干燥室是相对于外界环境具有正压的密封区域。这种正压确保外界空气不会进入受控空间，并携带过多的湿气。为了维持这种正压，干燥室必须有充足的空调空气流动（以每分钟立方英尺，或CFM表示）。

经过处理的空气流来自一个或多个去湿装置(DHUs)，这些装置将设定温度和湿度的空气送入干燥室。DHUs通常依赖于吸湿剂，或具有高吸水能力的材料，从空气中提取水分。这些DHUs被称为吸湿剂去湿机。

去湿机对空气进行处理的过程取决于所使用的去湿机类型。话虽如此，下面的过程流程图概述了去湿机通常是如何工作的：

1. 进气口不断地从外界环境中吸入空气。
2. 进入的空气通过一个干燥剂轮，该轮包含具有高吸附能力的干燥剂，如硅胶。
3. 干燥剂从进气空气中吸附水分。
4. 这种干燥剂现在已吸附了一定量的水分，被旋转到另一股气流中。
5. 加热以驱除水分，这些水分被排出到外部环境。
6. 干燥剂现在是干燥的，必须冷却以恢复其高吸附容量。
7. 此时，干燥剂已经旋转到原来的气流中，可以继续从进气空气中吸附水分。
8. 步骤3-7无限循环。

如上所述，有各种各样的DHU配置，有些涉及多个转子、预热线等。DHU设计是特定应用的，应咨询DHU制造商以获取正确指导。

在为特定干房配置DHUs时，需要考虑的最重要参数是湿度负荷。这基本上是随着时间的推移进入系统中的水分量。构成主要湿度负荷的两个关键因素是：

• 房间内的人。一个普通人每小时通过呼吸和出汗会释放出1500到2000粒水蒸气。一粒是水的重量单位——一磅中有7000粒水。
• 由于渗透导致的潮湿侵入。 尽管干房间在理论上是密封的环境，并且对室外空气有正压，但还是会有一定量的潮气从周围空气中进入。

其他因素，如设备的数量和类型、入口门的数量以及这些入口门的使用频率，也对干室设备的大小有很大影响。最终，强烈建议电池制造商直接与干室/DHU供应商咨询，以确保其干室设计的正确性。

确保在DHU和干燥室本身 throughout 配备适当的控制和传感器是非常关键的。只有在系统的关键点准确读取温度和湿度，才能有效调整诸如转子速度、冷却液流量等重要参数，以优化系统性能。

干房间最后一个需要注意的特点是空气锁的存在，空气锁是专门的入口通道，限制人们进入和离开干房间时的室外空气渗透。干房间通常没有正常门，这有其充分的理由——一旦你打开门，总会有一些室外空气渗透到干房间，即使干房间有正压。相反，空气锁由一个或两个前室组成，这些小房间通向较大的干房间。这样可以减少室外空气的渗透，因为干房间内的受控空间永远不会直接暴露在室外空气中。

干房行业走向何方？

干房的未来是光明的。随着电池行业开始越来越多地关注下一代技术，如固态电池，很明显，这个行业将发生一些重大变化。不变的是对高效环境控制的需要。

如本文前面所述，全固态电池不仅需要低露点条件，而且需要远低于锂离子电池的露点——低至-100华氏度。这并非无法实现，但需要一些重型的干燥机（或多个，具体取决于湿度负荷）。很可能会建造许多新的干燥室来专门用于全固态电池，同时现有的干燥室也将进行相当多的改造，以适应这种对湿度非常敏感的技术。

我们预期的另一个趋势是分段的使用增加。这基本上意味着将干燥室划分为不同的区域，每个区域的露点不同，以优化所需的“干燥功率”来维持所需的湿度条件。如果你有一些需要超低露点的工艺，而另一些只需要中等偏下的露点，那么将这些工艺分组到不同的分区中，每个分区保持不同的露点，这是有道理的。对于更大的设施，分段的数量通常会增加。

虽然目前分段讨论越来越多，但这一做法已经有一段时间的普遍应用。2021年，Bry-Air为一个棱柱形电池试点线安装了一个55,000平方英尺的干室。这个干室被分为两个部分，填充室和组装室，分别保持在-40°F和-22°F的露点。干室专门用于像电解液填充这样的高湿度敏感操作，因为这是更有价值的场地。然后，较不干燥的房间被用来容纳其他操作，如阴极涂布和电池组装。

结论

现在我们明白了为什么干室对电池制造如此重要。我们也了解了干室的工作原理，并对干室技术的发展趋势有一些见解。电池行业正在以如此快的速度发展，以至于很难预测5年、10年或15年后的情景。可以肯定的是，环境控制系统将在那个环境中占据重要位置。我们处于一个充满活力的行业，这里有一些了不起的人。我们期待与该领域的其他领导者在未来许多年中合作。请随时联系我们讨论电池、干室或任何相关事宜！

本文由Bry-Air电池业务部门总监Keith Hoge贡献。