Bơm chuyển và nạp dung dịch điện phân pin: Hướng dẫn lựa chọn bơm không có phớt để kiểm soát độ ẩm và định lượng chính xác

Dung dịch điện phân pin là một trong những chất lỏng khó xử lý nhất trong ngành sản xuất hiện đại. Một chất điện phân lithium-ion điển hình là lithium hexafluorophosphate (LiPF₆) được hòa tan trong hỗn hợp các dung môi cacbonat hữu cơ — ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate. Hỗn hợp này dễ cháy, dễ bay hơi và có tính ăn mòn hóa học cao. Tệ hơn nữa, nó rất nhạy cảm với nước: LiPF₆ giữ được sự ổn định trong môi trường khô ráo, trơ lên đến khoảng 107 °C, nhưng khi tiếp xúc với ngay cả một lượng nhỏ độ ẩm, nó phân hủy thành lithium fluoride và phosphorus pentafluoride, và PF₅ sau đó phản ứng với nước để tạo thành axit hydrofluoric. Chất điện phân cấp pin được quy định phải có hàm lượng nước dưới 15 ppm và HF dưới 50 ppm là có lý do. Một máy bơm bị rò rỉ hơi, để hơi ẩm lọt vào hoặc thải các ion kim loại vào chất lỏng không chỉ bị hao mòn — nó còn có thể phá hủy chất điện phân và các tế bào được chế tạo từ chất này.

Đó là lý do tại sao việc xử lý chất điện phân hiện nay chủ yếu dựa vào các loại bơm không có gioăng với các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng được làm từ polyme flo. Trong hơn một thập kỷ qua, chúng tôi đã cung cấp các loại bơm truyền động từ tính và bơm động cơ kín cho các nhà máy sản xuất vật liệu pin và dây chuyền sản xuất tế bào pin. Hướng dẫn này trình bày cách lựa chọn bơm cho các nhiệm vụ xử lý điện giải chính — chuyển tải khối lượng lớn, tuần hoàn, nạp pin chính xác, và định lượng dung môi và phụ gia — cùng với các yêu cầu về kiểm soát độ ẩm, ngăn chặn rò rỉ và tương thích vật liệu, những yếu tố khiến việc xử lý điện giải khác biệt so với việc chuyển tải hóa chất thông thường. Đây là tài liệu bổ sung chuyên sâu cho hướng dẫn tổng quát hơn của chúng tôi Hướng dẫn lựa chọn bơm trong sản xuất pin lithium, bao gồm toàn bộ quy trình sản xuất từ bùn khoan đến tầng địa chất.

1. Các trạm xử lý chất điện phân trong nhà máy sản xuất pin

Dung dịch điện giải di chuyển qua một số trạm riêng biệt giữa bể chứa dung môi thô và buồng kín. Mỗi trạm có yêu cầu về lưu lượng, độ chính xác và khả năng chứa khác nhau:

●   Vận chuyển khối lượng dung môi và chất điện phân — chuyển dung môi cacbonat và dung dịch điện giải hỗn hợp từ thùng phuy, thùng IBC và bồn chứa lớn sang bồn chứa tạm thời và bồn trộn.

●   Quá trình trộn và tuần hoàn chất điện giải — pha trộn muối và dung môi theo công thức mục tiêu, sau đó tuần hoàn qua hệ thống lọc để đạt được các tiêu chuẩn về độ tinh khiết.

●   Đổ đầy tế bào chính xác — bơm một lượng chất điện giải đã được định lượng vào từng tế bào, thường trong điều kiện chân không, với độ chính xác về thể tích rất cao.

●   Liều lượng chất phụ gia và muối — định lượng các chất phụ gia tạo màng và dung dịch cô đặc vào hỗn hợp theo tỷ lệ được kiểm soát.

●   Thu hồi dung môi và xử lý chất thải — thu gom hơi dung môi dễ bay hơi và chuyển chất điện phân đã qua sử dụng hoặc không đạt tiêu chuẩn đến khu vực tái chế hoặc xử lý.

Có bốn yêu cầu bắt buộc áp dụng cho tất cả các trường hợp: không rò rỉ chất lỏng dễ cháy, độc hại; không để hơi ẩm xâm nhập vào chất lỏng tạo ra HF khi tiếp xúc với nước; không có sự nhiễm bẩn bởi ion kim loại hoặc hạt trong chất lỏng dùng cho pin; và vật liệu phải tương thích với các dung môi cacbonat có thể làm phồng hoặc hòa tan các loại polymer không phù hợp. Bốn điểm này quyết định hầu hết mọi lựa chọn bơm trên dây chuyền.

2. Vấn đề độ ẩm: Tại sao kiến trúc không có lớp cách nhiệt là điều không thể thỏa hiệp

Yếu tố duy nhất quyết định việc lựa chọn bơm điện giải chính là phản ứng của LiPF₆ với nước. Trong môi trường khô và trơ, muối này ổn định. Khi tiếp xúc với độ ẩm, nó sẽ thủy phân — LiPF₆ phân hủy thành LiF và PF₅, và PF₅ phản ứng với nước để giải phóng HF. HF là chất cực độc, ăn mòn thiết bị và tấn công bên trong tế bào. Do đó, chất điện phân được trộn, chuyển và nạp trong phòng khô hoặc dưới khí trơ, và mọi thiết bị trên đường dẫn phải ngăn ẩm bên ngoài và giữ hơi bên trong.

Máy bơm có phớt cơ khí không thể làm được điều này. Phớt động của nó hoạt động theo hai chiều: hơi dung môi dễ cháy thoát ra ngoài, trong khi hơi ẩm trong không khí lại xâm nhập vào trong, đặc biệt là khi phớt bị mòn. Cả hai hiện tượng này đều không thể chấp nhận được khi sử dụng với chất điện phân. Máy bơm không phớt giải quyết cả hai vấn đề cùng một lúc:

●       Bơm truyền động từ tính. Một bộ truyền động từ tính truyền động cánh quạt thông qua vỏ chứa kín, do đó hoàn toàn không có trục xuyên qua. Chất lỏng nằm phía sau các phớt tĩnh và vỏ chứa — không có phớt động, không có đường rò rỉ hơi, không có đường xâm nhập độ ẩm. Để biết chi tiết kỹ thuật, vui lòng tham khảo Hướng dẫn lựa chọn bơm truyền động từ công nghiệp.

●       Bơm động cơ gắn sẵn. Rotor hoạt động bên trong một vỏ kín, được tích hợp trực tiếp với phần tiếp xúc với chất lỏng, loại bỏ hoàn toàn khoảng trống khe từ của bộ truyền động từ. Đối với các ứng dụng liên tục với dung môi và điện giải, đây là giải pháp cách ly kín đáo nhất. Ba phương án thiết kế này được so sánh trong tài liệu của chúng tôi Hướng dẫn công nghệ máy bơm động cơ đóng hộp.

Trong cả hai trường hợp, kết quả đều giống nhau: một đường dẫn chất lỏng kín hoàn toàn. Đó là yêu cầu cơ bản đối với chất điện phân, chứ không phải là một tính năng nâng cấp. Nguyên lý chung về ngăn chặn rò rỉ được trình bày trên trang web của chúng tôi Trang giải pháp bơm chống rò rỉ.

3. Tính tương thích vật liệu: Các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng làm từ polyme flo và gioăng FFKM

Việc lựa chọn vật liệu chứa đựng phù hợp đã là một nửa thành công. Nửa còn lại nằm ở vật liệu tiếp xúc với dung dịch, và chất điện phân đặt ra những yêu cầu rất khắt khe về vấn đề này. Các dung môi cacbonat có thể làm phồng hoặc hòa tan nhiều loại polymer thông dụng, trong khi bề mặt kim loại không chỉ gây ô nhiễm dung dịch mà còn bị ăn mòn khi tiếp xúc với axit flohydric (HF) hình thành. Dưới đây là bảng tương thích thực tiễn:

Điểm liên quan đến FFKM thường khiến người ta nhầm lẫn. Một máy bơm vốn đã đáp ứng các tiêu chuẩn — không cần gioăng, lót bằng polyme flo — vẫn có thể hỏng nếu các vòng O-ring của nó là loại FKM tiêu chuẩn, bởi vì dung môi cacbonat làm phồng FKM cho đến khi gioăng không còn đảm bảo khả năng kín khí. Perfluoroelastomer (FFKM) là tiêu chuẩn kỹ thuật cho ứng dụng với dung môi cacbonat. Nên xác nhận thông tin trên bảng dữ liệu thay vì chỉ dựa vào giả định. Của chúng tôi Bơm truyền động từ có lớp lót PTFE AMC-F được thiết kế với các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng hoàn toàn bằng fluoropolymer và là thiết bị mà chúng tôi thường xuyên cấu hình nhất cho việc chuyển dịch điện giải và dung môi cacbonat. Khung vật liệu rộng hơn nằm trên trang web của chúng tôi Trang giải pháp bơm chống ăn mòn.

4. Chuyển chất lỏng với khối lượng lớn và tuần hoàn

Hệ thống chuyển tải khối lượng lớn dùng để vận chuyển dung môi cacbonat và dung dịch điện phân hỗn hợp từ kho chứa sang bể chứa tạm thời và bể trộn; hệ thống tuần hoàn có chức năng pha trộn và lọc dung dịch điện phân để đạt độ tinh khiết. Cả hai đều là các quy trình vận hành liên tục, trong đó hiệu suất và khả năng kiểm soát rò rỉ được ưu tiên hơn so với việc điều chỉnh lưu lượng chính xác. Ba điểm cần lưu ý:

●       Hiệu suất hoạt động liên tục. Các máy bơm này hoạt động liên tục trong thời gian dài, do đó, xét về tổng số giờ hoạt động, máy bơm không có phớt kín chạy bằng điện sẽ tiết kiệm hơn so với máy bơm chạy bằng khí nén. Máy bơm truyền động từ tính hoặc máy bơm động cơ kín là lựa chọn phù hợp cho công việc này và đảm bảo đường dẫn lưu chất được kín hoàn toàn.

●       Cấp độ khu vực dễ cháy. Các dung môi cacbonat là chất dễ cháy, do đó các khu vực chuyển tải được phân loại là khu vực nguy hiểm. Động cơ bơm phải đáp ứng tiêu chuẩn chống cháy nổ phù hợp với nhóm khí dung môi và lớp nhiệt độ tương ứng.

●       Độ dao động thấp giúp quá trình lọc diễn ra ổn định. Quá trình tuần hoàn qua các bộ lọc tinh hoạt động hiệu quả nhất khi lưu lượng ổn định. Hệ thống thủy lực xoáy tuabin tái sinh tạo ra dòng chảy có độ dao động thấp, phù hợp với các vòng lọc.

Đối với việc chuyển tải và tuần hoàn khối lượng lớn, Bơm truyền động từ tính lót PTFE AMC-F phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến điện giải tiếp xúc với fluoropolymer, và trong các điều kiện sử dụng dung môi có độ tinh khiết cao liên tục, nơi mà ngay cả đường dẫn tĩnh của vòng O cũng không được khuyến khích, Dòng bơm xoáy đóng hộp PWH/PWD/PWM đưa ra giải pháp thay thế là động cơ đóng hộp. Để thực hiện quá trình xử lý bằng dung môi có độ ăn mòn thấp hơn mà vẫn đảm bảo tính tương thích với thép không gỉ, Bơm từ xoáy dòng MDW bằng thép không gỉ là một lựa chọn có chi phí thấp hơn, mặc dù fluoropolymer vẫn là lựa chọn an toàn hơn khi chất lỏng đã chứa LiPF₆.

5. Đổ đầy tế bào chính xác: Liều lượng được đo lường trong điều kiện chân không

Việc nạp chất điện phân là công đoạn đòi hỏi độ chính xác cao nhất. Mỗi tế bào nhận được một lượng chất điện phân chính xác, thường được bơm vào trong điều kiện chân không để chất lỏng thấm ướt hoàn toàn cụm điện cực và tấm cách điện mà không để lại khí bị kẹt. Việc đổ không đủ sẽ làm pin bị thiếu chất điện phân và giảm tuổi thọ chu kỳ; việc đổ quá nhiều sẽ lãng phí chất điện phân đắt tiền và có thể gây rò rỉ hoặc thoát khí. Đây là lĩnh vực chuyển dịch tích cực, trong đó thể tích mỗi hành trình có thể lặp lại bất kể áp suất ngược. Ba yêu cầu:

●       Độ chính xác về thể tích. Dung sai khi nạp chất lỏng rất chặt chẽ — liều lượng dưới 1 mililit được duy trì trong khoảng ±1% hoặc chính xác hơn. Bơm bánh răng truyền động từ tính cung cấp lưu lượng nhỏ ổn định và lặp lại cần thiết, đồng thời không có gioăng nên không xảy ra rò rỉ chất điện phân.

●       Khả năng tương thích với môi trường chân không. Việc nạp chất lỏng trong điều kiện chân không có nghĩa là máy bơm và các đường ống phải chịu áp suất thấp hơn áp suất khí quyển ở phía buồng chứa. Máy bơm phải định lượng chính xác trong điều kiện áp suất đó mà không bị mất áp suất ban đầu hoặc hút không khí vào.

●       Độ ma sát thấp và không có thể tích chết. Cấu trúc bên trong nhẵn mịn với thể tích chết tối thiểu giúp đảm bảo độ chính xác khi nạp nguyên liệu và giúp quá trình chuyển đổi và xả sạch giữa các mẻ sản xuất diễn ra hiệu quả hơn.

Đối với quá trình chiết rót vào chai có vạch đo và định lượng phụ gia, sản phẩm của chúng tôi Bơm bánh răng từ tính siêu nhỏ MDC-M có khả năng định lượng chính xác với khối lượng nhỏ, và Bơm bánh răng từ tính MDC-K áp dụng cho quá trình chuyển chất lỏng có lưu lượng cao và được đo lường chính xác. Cấu trúc bánh răng truyền động từ tính đáp ứng yêu cầu về độ lặp lại thể tích trong quá trình nạp đầy đồng thời duy trì đường dẫn lưu chất được bịt kín. Thông tin chi tiết về nguyên lý chuyển động tích cực có trong tài liệu của chúng tôi Nguyên lý hoạt động và hướng dẫn lựa chọn bơm thể tích.

6. Nhiệm vụ liên quan: NMP và quá trình chuyển dung môi trong hỗn hợp điện cực

Dung dịch điện phân không phải là chất lỏng ăn mòn duy nhất trong nhà máy sản xuất pin. Ở giai đoạn trước đó, quá trình phủ điện cực sử dụng N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) làm dung môi để hòa tan chất kết dính PVDF trong hỗn hợp bột cực âm. NMP là chất mạnh, hỗn hợp mà nó mang theo có độ nhớt cao và tính mài mòn, và nguyên tắc chứa đựng tương tự cũng được áp dụng. Các nhà máy thường quy định các quy tắc vận hành bơm cho phía chất điện phân cũng áp dụng cho phía NMP, vì vậy điều này đáng được đề cập ở đây:

●       Chuyển giao và thu hồi NMP. NMP được thu hồi và tái chế sau khi lò sấy lớp phủ làm bay hơi chất này, đây là một quy trình chuyển tải liên tục đối với một dung môi có tính ăn mòn cao. Các máy bơm không có phớt được lót bằng polyme flo rất phù hợp cho ứng dụng này vì những lý do tương tự như khi sử dụng với điện giải — tính trơ hóa học và đường dẫn lưu chất kín khí.

●       Xử lý bùn catốt. Hỗn hợp bột cực âm PVDF-in-NMP có độ nhớt cao, tính mài mòn và nhạy cảm với lực cắt. Nó cần được chuyển tải một cách nhẹ nhàng, với độ cắt thấp và dao động thấp để duy trì tính lưu biến của hỗn hợp và tránh sự phân tách hạt, đồng thời các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng phải có khả năng chống mài mòn. Đây là loại bơm khác với loại dùng để chuyển tải chất điện phân, và khung độ nhớt được đề cập trong Hướng dẫn lựa chọn máy bơm chất lỏng có độ nhớt cao.

Điểm mấu chốt đối với người mua thiết bị là cả NMP và dung dịch điện phân đều phải đáp ứng yêu cầu về thiết kế không có gioăng và được lót bằng vật liệu fluoropolymer; do đó, việc áp dụng một tiêu chuẩn bơm thống nhất cho cả hai loại sẽ giúp giảm bớt sự phức tạp trong việc quản lý phụ tùng thay thế. Toàn bộ hệ thống từ điện cực đến tầng chứa được đề cập chi tiết trong tài liệu của chúng tôi Hướng dẫn lựa chọn bơm trong sản xuất pin lithium.

7. Thực hành vận hành: Phòng khô, quá trình xả khí và tích hợp hệ thống

Việc lựa chọn máy bơm phù hợp là cần thiết nhưng chưa đủ. Trong quá trình vận hành hệ thống điện phân, có một số yếu tố thực tiễn quyết định liệu một máy bơm được lựa chọn đúng tiêu chuẩn có thực sự hoạt động hiệu quả hay không:

●       Tích hợp phòng khô và khí trơ. Quá trình trộn, chuyển và chiết rót được thực hiện trong các phòng khô có điểm sương rất thấp hoặc trong môi trường khí trơ. Bơm và các bộ phận kết nối của nó không được trở thành điểm xâm nhập của hơi ẩm. Thiết kế không có gioăng giúp hạn chế điều này, nhưng các phụ kiện, gioăng và bất kỳ cổng kết nối thiết bị nào cũng cần phải duy trì môi trường khô ráo.

●       Xả và chuyển đổi. Các đường ống và bơm được xả sạch bằng khí trơ khô hoặc dung môi tương thích giữa các mẻ sản xuất. Cấu trúc bên trong nhẵn mịn với thể tích chết tối thiểu giúp quá trình xả sạch diễn ra hiệu quả; trong khi đó, các khoang bên trong phức tạp có thể giữ lại chất điện giải dư, dẫn đến quá trình thủy phân và hình thành axit flohydric (HF) sau này.

●       Dung sai trong quá trình chạy thử. Trong quá trình chuyển đổi và xả đường ống, máy bơm có thể hoạt động trong thời gian ngắn với lượng chất lỏng rất ít hoặc không có chất lỏng. Vòng bi cacbua silic chịu được tình trạng chạy khô trong thời gian ngắn tốt hơn so với vòng bi than hoặc kim loại, giúp bảo vệ máy bơm trong các giai đoạn chuyển tiếp này.

●       Tiếp đất và kiểm soát tĩnh điện. Các dung môi cacbonat là chất dễ cháy, do đó việc kiểm soát tĩnh điện và nối đất đúng cách cho bơm và đường ống là một phần của quy trình lắp đặt, bên cạnh chỉ số chống cháy nổ của động cơ.

Các yếu tố này thuộc cấp độ hệ thống, và việc làm rõ chúng ngay từ giai đoạn lựa chọn sẽ giúp tránh được tình trạng thường gặp là máy bơm dù được chọn đúng nhưng lại hoạt động không đạt hiệu quả do các yêu cầu về tích hợp xung quanh chưa được xác định rõ.

8. Bảng tham khảo lựa chọn bơm cho hệ thống xử lý chất điện giải

Bảng dưới đây tóm tắt các khuyến nghị tiêu biểu của chúng tôi đối với các trạm xử lý chất điện phân. Đây chỉ là những điểm khởi đầu; công thức chất điện phân, lưu lượng và mục tiêu độ chính xác thực tế luôn cần được kiểm chứng dựa trên quy trình thực tế:

Một hệ thống ống dẫn sử dụng nhiều loại bơm này. Các bơm truyền động từ tính có lớp lót fluoropolymer đảm nhận các công việc vận chuyển và bốc dỡ khối lượng lớn, các bơm động cơ kín đảm nhận các công việc yêu cầu độ kín khít liên tục cao nhất, còn các bơm bánh răng từ tính đảm nhận việc định lượng và chiết rót. Tất cả các loại bơm này đều có chung đường dẫn lưu chất kín khí, không cần gioăng đệm – một yêu cầu bắt buộc đối với chất điện phân.

9. Danh mục sản phẩm bơm điện giải Aulank

Trong hơn 17 năm qua, chúng tôi đã cung cấp máy bơm không phớt cho các nhà sản xuất vật liệu pin và các dây chuyền sản xuất tế bào pin tại Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ và châu Âu. Danh mục sản phẩm mà chúng tôi thường khuyến nghị cho việc xử lý chất điện phân:

●   Bơm truyền động từ tính AMC-F có lớp lót PTFE — bộ phận chuyển dịch chất điện phân và dung môi cacbonat chính, các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng hoàn toàn bằng fluoropolymer, vỏ bảo vệ kín khí truyền động từ tính, tùy chọn phớt FFKM cho ứng dụng xử lý cacbonat.

●   Dòng bơm xoáy đóng hộp PWH/PWD/PWM — Phiên bản động cơ đóng hộp dành cho việc thu hồi dung môi liên tục và các nhiệm vụ cách ly nghiêm ngặt nhất.

●   Bơm bánh răng từ tính siêu nhỏ MDC-M và Bơm bánh răng từ tính MDC-K — chiết rót chính xác vào các ô, định lượng chất phụ gia và chuyển chất lỏng theo liều lượng với độ lặp lại về thể tích và đường dẫn dòng chảy kín.

●   Bơm từ xoáy dòng MDW bằng thép không gỉ — Lựa chọn 316L giá thành thấp hơn dành cho hệ thống xử lý dung môi ở tầng tiền muối, đảm bảo tương thích với vật liệu thép không gỉ, kèm theo các tùy chọn động cơ chống cháy nổ.

Cụ thể, các nhà sản xuất vật liệu pin hoặc tế bào pin sẽ nhận được những gì từ chúng tôi:

●   Các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng làm từ polyme flo và phớt FFKM được coi là tiêu chuẩn cho các ứng dụng sử dụng dung môi cacbonat và điện giải LiPF₆, như đã được xác nhận trong bảng thông số kỹ thuật.

●   Cấu trúc kín không cần gioăng trên các dòng sản phẩm sử dụng động cơ từ tính và động cơ đóng hộp, đảm bảo không rò rỉ hơi và không xâm nhập độ ẩm.

●   Các tùy chọn động cơ chống cháy nổ phù hợp với nhóm khí cacbonat-dung môi và nhóm nhiệt độ đối với các vùng được phân loại.

●   Vòng bi cacbua silic để đảm bảo tính trơ hóa học và khả năng vận hành khô trong quá trình chuyển đổi và xả khí.

●   Kiểm soát chất lượng có hồ sơ — Chứng nhận ISO 9001, chứng nhận TÜV CE cho máy bơm xoáy sử dụng truyền động từ tính, các báo cáo thử nghiệm thông số riêng lẻ, cùng hơn 50 bằng sáng chế liên quan đến cấu trúc truyền động đồng bộ nam châm vĩnh cửu và hệ thống thủy lực xoáy có lớp bảo vệ.

Nếu quý khách đang tìm kiếm máy bơm cho nhà máy pha chế dung dịch điện phân, dây chuyền nạp pin hoặc cơ sở sản xuất vật liệu pin, vui lòng gửi cho chúng tôi công thức dung dịch điện phân, lưu lượng, mức độ chính xác mong muốn và phân loại khu vực; chúng tôi sẽ gửi lại đề xuất cấu hình kèm theo thông số kỹ thuật vật liệu và báo giá trong vòng hai ngày làm việc.

Tùy chỉnh cấu hình bơm điện giải

Cho dù quý vị là nhà sản xuất thiết bị nạp pin và trộn chất điện phân theo mô hình OEM, vận hành dây chuyền sản xuất pin tại nhà máy quy mô lớn, hay sản xuất chất điện phân và dung môi dành cho pin, đội ngũ kỹ sư của chúng tôi đều có thể đề xuất loại bơm phù hợp nhất – bao gồm bơm truyền động từ không cần phớt, bơm động cơ kín hoặc bơm bánh răng từ – cho từng trạm xử lý chất điện phân trong quy trình sản xuất của quý vị.

Hãy liên hệ với đội ngũ của chúng tôi: Liên hệ với Aulank | WhatsApp: +86 13773157367 | Email: info@aulankpump.com

Xem các trang sản phẩm và giải pháp liên quan:

●   Dòng bơm hóa chất

●   Dòng bơm thể tích

●   Giải pháp bơm chống ăn mòn

●   Giải pháp bơm chống rò rỉ