Насосы — это не та часть производства литиевых батарей, которой уделяют внимание во время эффектных экскурсий по заводу. Внимание привлекают машины для нанесения покрытий, смесители, сушильные камеры и формовочные стеллажи. Но стоит зайти на любой завод по производству батарей, работающий больше года, и спросить у менеджера по техническому обслуживанию, что выходит из строя в первую очередь — и ответ почти всегда один из насосов в линии подачи суспензии, регенерации NMP или заполнения электролитом. Мы более десяти лет производим магнитные насосы для линий производства батарей в Германии, Южной Корее, Китае и Юго-Восточной Азии, и закономерности отказов повторяются с удручающе высокой регулярностью: коррозия механических уплотнений при работе в режиме NMP, загрязнение железом изношенных рабочих колес, ухудшающее выход годных элементов, пульсация от неподходящего типа насоса, ухудшающая качество щелевого нанесения покрытия.
В этом руководстве рассматривается выбор подходящего насоса для каждой станции в производственной линии литий-ионных батарей — перекачка суспензии катода и анода, регенерация растворителя NMP и впрыск электролита — с учетом инженерных компромиссов, с которыми на самом деле сталкиваются производители батарей и интеграторы оборудования. Руководство написано с точки зрения производителя насосов, а не инженера-технолога, поскольку, как показал проведенный нами анализ причин отказов, чаще всего причиной является неправильная архитектура насоса, а не неправильный технологический процесс.
1. Проблема перекачки жидкости на производственной линии литиевых батарей.
Производственная линия литий-ионных батарей включает семь основных станций перекачки жидкостей, каждая из которых имеет свой рабочий цикл насоса и свой наихудший сценарий отказа. Понимание всей картины является необходимым условием для разумного выбора насосов для каждой станции:
● Смешивание и перенос катодной суспензии — Активный материал NMC, NCA или LFP + сажа + связующее PVDF, растворенное в NMP. Высоковязкая (2000–20000 сП), абразивная, чувствительная к сдвигу и химически агрессивная по отношению к металлическим уплотнениям.
● Смешивание и перенос анодной суспензии — графит или кремнийграфит + проводящая добавка + связующее SBR/CMC в деионизированной воде. На водной основе (менее агрессивно воздействует на уплотнения), но все еще абразивный и чувствительный к пульсациям.
● Подача покрытия в щелевой матрице — Бесперебойная подача суспензии из буферного резервуара в головку нанесения покрытия. Качество покрытия напрямую влияет на процент дефектов ячеек.
● перенос растворителя NMP — Перемещение свежего NMP из хранилища в резервуары для приготовления смесей. NMP разрушает стандартный высокопрочный чугун, литые металлические насосы ANSI и большинство эластомерных уплотнений.
● рекуперация парового конденсата NMP — После сушки NMP улавливается в виде жидкого конденсата; этот насос замкнутого цикла работает непрерывно и должен обеспечивать низкий расход и высокую чистоту.
● Перенос и заполнение электролитом — LiPF₆ в карбонатных растворителях (EC/DMC/EMC). Следы влаги и металлические загрязнения в концентрациях порядка частей на миллион ухудшают характеристики элемента.
● Циркуляция для регулирования температуры — В контурах охлаждения и тестирования модулей для регулирования температуры ячеек во время формирования, старения и электрических испытаний используются водно-гликолевые или фторированные хладагенты.
Пять инженерных ограничений являются определяющими для каждой из этих станций: нулевая утечка в соответствии с регламентом REACH и требованиями безопасности на рабочем месте, нулевое металлическое загрязнение технологической жидкости (особенно железом), отсутствие пульсаций потока на этапе нанесения покрытия, химическая совместимость с NMP и карбонатными растворителями, а также способность работать с диапазоном вязкости от 1 сП (жидкий электролит) до 20 000 сП (катодожидкостная суспензия). Ни одна архитектура насоса не удовлетворяет всем пяти требованиям. Правильным решением является набор различных типов насосов, каждый из которых размещен там, где ему положено быть.
2. Катодные шламовые насосы: перекачка NMC/LFP + технического углерода + PVDF в NMP
Перекачка катодной суспензии является наиболее сложной задачей на аккумуляторном заводе. Жидкость представляет собой неньютоновскую, неньютоновскую, слаботиксотропную суспензию с уменьшением вязкости при увеличении сдвига. Частицы активного материала (обычно NMC, NCA или LFP) плотнее несущей жидкости и имеют тенденцию оседать, если сдвиговое напряжение падает до нуля. Технический углерод образует хрупкую сетчатую структуру со связующим PVDF; если эту структуру разрушить высоким сдвиговым напряжением или пульсацией, реологические свойства изменяются, и покрытие, нанесенное на выходе, выходит за пределы допустимых параметров.
Что это означает с точки зрения выбора насоса:
● Избегайте конструкций с высокими нагрузками на сдвиг. Стандартные центробежные мешалки, вращающиеся со скоростью 2900–3500 об/мин, разрушают сетку из углеродной сажи и ПВДФ. Этот эффект незаметен на насосе, но проявляется на головке для нанесения покрытия в виде неравномерной вязкости, а на каландрированном электроде — в виде неоднородного распределения плотности.
● Избегайте абразивного износа внутренних поверхностей. Частицы NMC и LFP представляют собой твердые оксиды керамики. Скользящий контакт между рабочим колесом и корпусом приводит к эрозии металла, который затем попадает в суспензию. Для аккумуляторной ячейки каждая доля ppm железа в катоде представляет собой потенциальный риск короткого замыкания в будущем.
● Выберите бесшовную конструкцию. Натрий-магнитный поток проникает в стандартные эластомеры EPDM, FKM и большинство эластомеров для уплотнительных колец и разрушает их. Механические уплотнения в системах с натрий-магнитным потоком выходят из строя предсказуемо. Принятым в отрасли решением является насос с магнитным приводом и металлическим или керамическим защитным кожухом — без динамического уплотнения, контактирующего с рабочей жидкостью.
Для перекачки катодной суспензии из смесителя в буферный резервуар мы используем в линиях по производству батарей вихревые насосы с магнитным приводом и шестеренчатые насосы с магнитным приводом. Вихревые насосы подходят для умеренных скоростей потока (30–120 л/мин), а суспензия имеет низкую вязкость (катодная суспензия, разбавленная дополнительным NMP для облегчения перекачки). Шестеренчатые насосы необходимы для суспензий с более высокой вязкостью и для стадии подачи в головку нанесения покрытия, где точность потока и контроль пульсаций важнее, чем производительность.
Наш Вихревой магнитный насос MDH из нержавеющей стали Это устройство, которое мы чаще всего поставляли в европейские предприятия по перекачке катодной суспензии, в том числе крупному немецкому клиенту, занимающемуся нанесением покрытий на сепараторы литиевых батарей. Для высокоточной дозировки вблизи головки нанесения покрытия, это устройство предназначено для работы в режиме, близком к головке нанесения покрытия. Шестеренчатый насос с магнитно-механическим уплотнением MDC-K и Средне-крупный магнитный шестеренчатый насос MDC-X обеспечивают пульсирующе-регулируемый, дозированный поток, необходимый для щелевых штамповочных установок.
Для получения дополнительной информации о различиях между шестеренчатыми и вихревыми магнитными насосами в данной области применения, ознакомьтесь с нашей информацией. Сравнительное руководство по магнитным шестеренчатым насосам и магнитным вихревым насосам углубляется в вопрос выбора между реологией и архитектурой.
3. Анодные шламовые насосы: для суспензий графита на водной основе
Анодная суспензия химически менее агрессивна, чем катодная — в качестве растворителя-носителя используется вода, а не NMP, и связующая система (обычно SBR + CMC) не воздействует на эластомерные уплотнения так, как это делает NMP. Но задача все равно остается сложной по трем разным причинам.
Во-первых, графит обладает высокой абразивностью. Внутренние детали стандартных чугунных или углеродистых насосов изнашиваются в течение нескольких месяцев при работе с графитовыми суспензиями с содержанием твердых веществ 40–50%. Эродированный металл загрязняет суспензию. Для анода загрязнение железом еще более опасно, чем для катода, из-за его близости к месту образования литиевых отложений во время быстрой зарядки.
Во-вторых, суспензии для анодов на водной основе очень чувствительны даже к небольшим изменениям температуры. Загуститель CMC набухает с повышением температуры, а латекс SBR может дестабилизироваться при температурах выше 35–40 °C. Тепло, выделяемое насосом недостаточной или избыточной мощности, работающим вдали от точки максимальной эффективности (ТЭИ), достаточно для изменения реологических свойств суспензии в течение длительного рабочего дня.
Во-третьих, анодная суспензия имеет сильную тенденцию к осаждению при прекращении потока. Насосы, работающие в этом режиме, должны выдерживать повторный запуск при наличии частично осевшей суспензии без повреждения уплотнений или подшипников из-за сухого трения.
Архитектурное решение для работы на аноде в целом аналогично решению для работы на катоде: насос с магнитным приводом, контактирующими с рабочей средой деталями из нержавеющей стали и тщательно подобранной магнитной муфтой. Ключевые различия в конфигурации заключаются в следующем: (а) марка контактирующего материала обычно 316L, а не 304, чтобы обеспечить работу в водной среде в течение десятилетий без образования раковин, и (б) номинальная мощность магнита должна включать запас крутящего момента в 20–30% для обеспечения возможности перезапуска в условиях осевшей суспензии. Вихревой магнитный насос MDS из нержавеющей стали и Вихревой магнитный насос MDK из нержавеющей стали Оба подходят для этой обязанности.
4. Перекачка и рекуперация NMP: почему насосы с магнитным приводом являются отраслевым стандартом.
NMP (N-метил-2-пирролидон) — это растворитель-носитель, обеспечивающий работу катодной суспензии. Это также одна из наиболее требовательных жидкостей, с которыми может работать насос. Чистый NMP — это высококипящий полярный апротонный растворитель, который воздействует на большинство стандартных эластомеров для насосов (буна, EPDM, стандартные марки FKM), со временем разрушает компоненты из углеродистой стали и все чаще подвергается регулированию в рамках REACH и оценок риска Агентства по охране окружающей среды США как токсин, поражающий репродуктивную систему.
На аккумуляторном заводе насосы NMP выполняют две функции: перекачку большого объема жидкости из резервуара для подачи в резервуары для приготовления раствора и рекуперацию конденсата из контура отвода отработанных газов сушилки. Чаще всего мы видим ошибку в использовании одинаковых характеристик насоса для обеих функций — это разные задачи.
Массовая передача NMP
Это свежий NMP комнатной температуры, относительно чистый, переходящий из емкости для хранения или резервуара в смесительный сосуд. Расход умеренный (50–200 л/мин), требования к напору незначительные, а основная сложность заключается в самом NMP. Вихревые насосы с магнитным приводом из нержавеющей стали с компонентами, покрытыми PEEK или PTFE, надежно справляются с этой задачей в течение 5 и более лет.
извлечение конденсата NMP
После нанесения катодного покрытия электродная фольга помещается в длительную сушильную печь. NMP испаряется, улавливается системой конденсации, а полученный жидкий NMP перекачивается обратно в резервуар для рециркуляции для повторной дистилляции. Этот поток обычно имеет более высокую температуру (50–80 °C), может содержать следы растворенного связующего вещества и активного материала и работает непрерывно 24/7. Наилучшим вариантом является насосная конструкция с закрытым двигателем, где ротор двигателя вращается внутри рабочей жидкости за тонким металлическим корпусом, поскольку отсутствует внешний вал, муфта, и установка может работать без присмотра практически без выбросов паров.
Наш Серия вихревых насосов с герметичным корпусом PWH/PWD/PWM Он разработан для работы с высокочистыми материалами в непрерывном режиме с низким уровнем выбросов. Для получения дополнительной информации о трех вариантах конструкции бескамерной технологии — магнитном приводе, герметичном двигателе и погружном двигателе — см. наш руководство по технологиям насосов с моторным приводом.
Нормативно-правовая база в отношении ПФАС добавляет здесь дополнительный уровень сложности. В ряде юрисдикций ужесточается контроль за выбросами фторированных и азотсодержащих растворителей, а герметичная конструкция насоса все чаще указывается не как предпочтительное решение с точки зрения технического обслуживания, а как требование соответствия. Мы подробно рассмотрели это в [ссылка на статью]. Как регулирование в отношении ПФАС меняет требования к химическим насосам.
5. Электролитные насосы: сверхчистая перекачка для заполнения клеток.
С точки зрения вязкости, электролит — это простейшая жидкость на аккумуляторной установке: по сути, он очень жидкий, около 3–5 сП, — но требования к его чистоте делают его одной из самых сложных в перекачке жидкостей в промышленности. Типичный электролит — это LiPF₆, растворенный в смеси этиленкарбоната (EC), диметилкарбоната (DMC) и этилметилкарбоната (EMC). LiPF₆ гидролизуется в присутствии воды с выделением HF (фтороводородной кислоты), которая затем воздействует на любые железосодержащие элементы в насосе и загрязняет элемент.
Выбор электролитного насоса определяется тремя инженерными ограничениями:
● Исключение влаги. Насос и его трубопроводы должны работать в сухом помещении, как правило, с относительной влажностью ниже 1%. Негерметичное уплотнение вала — это не просто потеря жидкости, это путь для проникновения атмосферной влаги в поток электролита. Обязательным условием является использование магнитного привода или герметичного двигателя.
● Контроль металлических загрязнений. Любое содержание железа, никеля, хрома или кобальта в электролите выше нескольких частей на миллион ухудшает характеристики элемента и сокращает срок его хранения. Контактирующие с жидкостью детали изготавливаются из нержавеющей стали 316L или, в высококачественных линиях, имеют фторполимерное покрытие. Насос с магнитным приводом AMC-F с тефлоновым покрытием Разработан специально для работы в условиях сверхвысокой чистоты и коррозионной стойкости.
● Точное дозирование для заполнения ячеек. Каждая ячейка получает определенный объем электролита, измеряемый в миллилитрах на ампер-час емкости. Отклонение более ±1% приводит к переполнению или недополнению ячеек, что снижает выход годной продукции. Микромагнитные шестеренчатые насосы обеспечивают необходимую на этом этапе точность дозирования; Микроминиатюрный магнитный шестеренчатый насос MDC-M имеет точно такие же размеры, как и для выполнения этой задачи.
6. Контроль загрязнения железом: тихий убийца батарей (и как его обойти при перекачивании)
Инженеры-технологи, занимающиеся разработкой батарей, уделяют огромное внимание загрязнению железом, и на то есть веская причина. В процессе циклической работы железо в катоде образует растворимые ионы Fe²⁺/Fe³⁺, мигрирует к сепаратору, осаждается в виде металлических железных дендритов и в конечном итоге пробивает сепаратор. Происходит внутреннее короткое замыкание элемента, и вызванный этим тепловой разгон становится причиной отказа, о котором пишут в новостях.
Неправильный тип насоса может стать основным источником железа. Три причины поломки, которых следует избегать:
● Эрозия из-за износа колец в центробежных насосах. Уплотнение с малым зазором между корпусом и рабочим колесом изнашивается под воздействием абразивных суспензий, и частицы эрозии попадают непосредственно в трубопровод. Решение: избегать конструкций с открытым малым зазором при работе со суспензиями. Выбирать насосы с магнитным приводом и закаленными или неметаллическими внутренними вкладышами.
● Выщелачивание труб из углеродистой стали. На многих старых аккумуляторных заводах до сих пор используются трубопроводы из углеродистой стали для «некритических» станций, таких как перекачка NMP. Смесь NMP и воды на стадии регенерации медленно воздействует на сталь, высвобождая железо в поток регенерированного растворителя. Решение: полностью изготовленные из нержавеющей стали 316L трубопроводы и контактирующие с насосом части, от начала до конца.
● Утечка из-за промывки сальника вала. Даже если само уплотнение не выходит из строя катастрофически, используемая для промывки вода часто содержит растворенное железо из окружающих труб. Следы утечек при промывке переносят это железо в процесс. Решение: исключить промывку, отказавшись от уплотнений.
Самый важный конструктивный рычаг, позволяющий заводу по производству аккумуляторов контролировать загрязнение насосов железом, — это стандартизация использования магнитных приводов или двигателей в корпусе на всей линии подачи жидкости. Это не просто удобство в обслуживании — это решение, направленное на повышение производительности. Для получения более подробной инженерной информации см. наш раздел... Руководство по выбору промышленных насосов с магнитным приводом и страница с решениями для герметичных насосов.
7. Нанесение покрытия без пульсаций: почему пульсации насоса ухудшают качество нанесения покрытия методом щелевого нанесения.
Щелевой диэлектрический слой наносится методом нанесения покрытия на матрицу при скорости линии 20–80 м/мин. Толщина влажной пленки определяется объемным расходом суспензии, подаваемой в матрицу, деленным на ширину пленки и скорость линии. Если расход изменяется на 5%, толщина покрытия изменяется на 5%, и емкость ячейки, полученной с помощью этого электрода, изменяется примерно на ту же величину.
В данной системе три причины нежелательной пульсации со стороны насоса:
● Пульсация зубьев шестерни в шестеренчатых насосах с внешним зацеплением — небольшие периодические изменения потока при зацеплении зубьев шестерни.
● В поршневых, плунжерных или диафрагменных насосах возвратно-поступательное движение — большие, периодические скачки потока между ходами поршня.
● Кавитационные пульсации в центробежных насосах вблизи их предела NPSH — нерегулярный поток, возникающий из-за образования и схлопывания паровых пузырьков.
В частности, для щелевой подачи покрытия наши инженеры-технологи обычно указывают одну из трех конфигураций:
● Насосы с внутренним шестеренчатым магнитным приводом. Меньшая амплитуда пульсаций по сравнению с конструкциями с внешним зубчатым зацеплением благодаря большей зоне контакта между ротором и промежуточной шестерней. Естественный выбор для подачи средневязкой катодной суспензии при нанесении покрытий.
● Магнитовихревые насосы с демпферами пульсаций на выходе. Сам по себе магнитовихревой насос имеет минимальную пульсацию, но добавление небольшого аккумулятора или демпфера на выходе насоса снижает остаточную пульсацию до уровня ниже 1% от пикового значения. Именно такую конфигурацию мы использовали на нескольких южнокорейских линиях по сборке элементов питания.
● Двухвинтовые или винтовые насосы. Пульсация ниже, чем у зубчатых передач, но конструкция более сложная и дорогая. Обычно используется для суспензий очень высокой вязкости или чувствительных к сдвигу на высококачественном оборудовании для нанесения покрытий.
Общее замечание по выбору насоса для линии нанесения покрытия: всегда выбирайте насос со значительной возможностью регулирования скорости (обычно это насос с магнитным приводом и частотно-регулируемым приводом), чтобы скорость потока суспензии точно соответствовала скорости линии нанесения покрытия. Насосы с фиксированной скоростью и дроссельными клапанами расходуют энергию впустую и создают дополнительную пульсацию.
8. Матрица принятия решений по архитектуре насоса для линий по производству аккумуляторов.
В таблице ниже приведены наши типичные рекомендации для этапа влажной обработки в литий-ионных батареях. Это лишь отправные точки; удельная вязкость, размер частиц и комбинации коррозионно-активных жидкостей всегда требуют проверки на основе фактического образца жидкости, предоставленного заказчиком:
| Станция | Жидкость | Типичный поток | Рекомендуемый насос |
| Перенос катодной суспензии | NMC/NCA/LFP + CB + PVDF в NMP | 30–120 л/мин | Магнитный вихрь (MDH) или магнитная шестерня (MDC-X) |
| Подача покрытия с головки | Катодная суспензия, дозированная | 5–50 л/мин | Магнитный шестеренчатый насос (МДК-К) |
| Перенос анодной суспензии | Графит + SBR/CMC в воде | 40–150 л/мин | Магнитный вихрь (MDS или MDK) |
| NMP массовая передача | Свежий NMP | 50–200 л/мин | Магнитный вихрь с ПТФЭ (MDW или AMC-F) |
| извлечение конденсата NMP | Восстановленный NMP, 50–80 °C | 10–80 л/мин | Заводской вихрь (PWH/PWD/PWM) |
| Перенос электролита | LiPF₆ в EC/DMC/EMC | 5–40 л/мин | Магнитный привод с тефлоновым покрытием (AMC-F) |
| Заполнение электролитной ячейки | Карбонат LiPF₆, дозированный | 0,1–5 л/мин | Микромагнитная шестерня (MDC-M) |
| контур термотестирования модуля | Водно-гликолевая или фторированная охлаждающая жидкость | 20–100 л/мин | Магнитный вихрь (МВВ) |
Что касается конкретно контура термостатических испытаний, наша команда опубликовала отдельный технический обзор. Насосы для тестирования электромобилей, предназначенные для термических испытаний батарей при высоких температурах и высокой вязкости. Это более подробно описывает рабочий диапазон температур от −40 °C до +85 °C.
9. Почему магнитные насосы Aulank используются в европейских и азиатских линиях по производству аккумуляторов?
Мы занимаемся проектированием и производством насосов с магнитным приводом и насосов с герметичными двигателями более 17 лет, а производство аккумуляторов является одним из наших наиболее активных направлений с 2020 года. Среди наших активных OEM-партнеров и конечных пользователей — немецкий производитель линий нанесения покрытия на сепараторы литий-ионных аккумуляторов, использующий магнитные вихревые насосы MDH для перекачки катодной суспензии, несколько южнокорейских производителей оборудования для сборки элементов, интегрирующих шестеренчатые насосы MDC для дозирования в щелевых кристаллах, индийский производитель электролитов, использующий наши насосы AMC-F с футеровкой из ПТФЭ в условиях работы с LiPF₆, а также многочисленные китайские интеграторы оборудования для гигафабрик на этапах смешивания суспензий и регенерации NMP.
Что именно получает от нас производитель аккумуляторных батарей на производственной линии:
● Полный ассортимент насосов с магнитным приводом для работы от аккумулятора. — Магнитные вихревые насосы MDH/MDW/MDS/MDK из нержавеющей стали 304/316L для перекачки суспензий; магнитные шестеренчатые насосы MDC-M/MDC-K/MDC-X для дозированной подачи в головку для нанесения покрытия и заполнения ячеек; герметичные вихревые насосы PWH/PWD/PWM для рекуперации NMP; магнитные насосы AMC-F с футеровкой из ПТФЭ для работы с электролитами и высокочистыми материалами.
● Контроль загрязнения железом на этапе проектирования. — Благодаря магнитной конструкции отсутствуют металлические уплотнительные поверхности, контактирующие с рабочей жидкостью; внутренние элементы из ПТФЭ/ЭТФЭ/керамики исключают выщелачивание железа на станциях обработки высокочистой жидкости.
● Настройка под конкретные характеристики батареи — Специальное напряжение (постоянный ток, совместимое с сухими помещениями), взрывозащищенные варианты двигателей для зон паров NMP и DMC, нестандартные размеры фланцев для соответствия существующим трубопроводам установки для нанесения покрытий, компактные габариты для установки в чистых помещениях.
● Технология синхронного привода с постоянными магнитами — одна из наших 10 основных технологий, обеспечивающая более высокую эффективность сцепления и меньшие потери на холостом ходу по сравнению со стандартными конструкциями с индукционным приводом и магнитным приводом.
● Документированный контроль качества — Каждый агрегат поставляется с данными параметрических испытаний и протоколами проверки; наши магнитовихревые насосы имеют сертификат TÜV CE.
Если вы закупаете насосы для новой линии по производству аккумуляторов или устраняете неполадки в устаревшей конфигурации, пришлите нам описание условий эксплуатации каждой станции, и мы в течение двух рабочих дней предоставим вам рекомендуемый ассортимент насосов с коммерческими предложениями.
Получите индивидуальную конфигурацию насоса для производственной линии по выпуску аккумуляторов.
Независимо от того, являетесь ли вы производителем оборудования для смешивания суспензий, нанесения покрытий или наполнения ячеек, или конечным пользователем — производителем аккумуляторов, выбирающим насосы для своей линии подачи жидкости, — наша инженерная команда сможет подобрать подходящую архитектуру насоса с магнитным приводом для каждой станции.
Свяжитесь с нашей командой: Связаться с нами | WhatsApp: +86 13773157367 | Электронная почта: [email protected]
Просмотрите соответствующие страницы продуктов и решений:
● Серия магнитных вихревых насосов
● Серия объемных (шестеренчатых) насосов