锂离子电池工厂设计中的四大考虑事项

电池技术已经发展到充电一次，可以驾驶电动汽车（EV）近500英里，美国各地的充电网络持续增长。电动汽车比汽油驱动同类汽车加速更快，包含了10年前人们梦寐以求的技术特征。电动汽车不仅仅是不同的，它们代表了一种新的交通工具。

技术和接受度现在达到一个关键的转折点，激励了全世界电动汽车的大幅增长。已经营多年的原始设备制造商已经接受了这项技术，决定将整个车队改为电动驱动车辆。

这些都意味着我们必须制造大量电池，美国正计划建造大量的电池厂。在许多方面，这些制造厂与其他大型制造厂类似。然而，大型电池制造厂具有独特的设计和施工注意事项，可以归结为四大考虑事项。

挑战1：创造和维持超低湿度环境

虽然超级绝对无尘室对半导体装置制造是合格的，但超级绝对无尘室的湿度比锂离子电池制造的相对超低湿度（RH）要求高出30倍。在电池厂中，湿度如果不受控制会引起问题，从而导致产品寿命缩减、性能降低，充电过程中温度过高，以及潜在的热失控（例如，火灾）等问题。

锂离子电池制造需要最严格的湿度控制，第一个挑战就是要在电池制造工厂制造并维持这些超低相对湿度环境。超低相对湿度意味着不达到1%，这是很难维持的，因为当相对湿度小于1%时，会出现一些不规律的现象。

水分流动

在设计绝对无尘室时，保持绝对无尘室干净的工具是施压，可以排出空气，使颗粒物质不会渗入到这个空间内。然而，这种方法是无法维持干燥绝对无尘室小于1%的相对湿度。在超低湿度环境下，水分则向气流反方向流动。为了解决水分问题，在干燥的空间内必须做到防潮，例如，所有的侧面、顶部、底部都密封在一个完整的外壳内。

一旦密封完成，下一个最大水分来源就是人。每次呼吸都会在周围环境中释放水分，在小于1%相对湿度的情况下，水分会通过皮肤渗透出来，在干燥的空间内形成‘小水坑’。为了成功识别和缓解水分湿度，需要使用先进的设计工具。例如，计算流体动力学（CDF）模拟用于了解空间内的气流，并确定可能聚集湿度的位置。然后设计团队可以通过调整气流或添加其他设备来采取行动。

选择正确的材料

除了使用丁基合成橡胶密封和凸轮锁的绝缘金属板，入口点气闸，和地板下的密封蒸汽屏障外，还需要注意的是超低湿度的空间可以干燥传统的润滑剂和密封剂。如果安装的闭门器不是为这个超低湿度环境设计的，密封剂会随着时间的推移变成粉末状。这就是为什么考虑超低湿度对所有材料的影响是至关重要的，因为这些材料可能受到这种类型的环境的影响并危及房间。

挑战二：危险与防火要求

电池制造设备在设计中涉及的另一关键区别是管理电池本身造成的独特危险的能力。了解荷电状态（SOC）是创造安全工作环境的关键。在生产过程中，如果电池的荷电状态超过35%至50%，由于大量存储电池的能量密度，必须将其视为火灾危险。电池中高于35%电荷状态的制造缺陷，可能会产生热失控并蔓延到周围的电池，引起连锁反应。

缓解措施包括专门设计的火灾保护系统，例如，在热失控发生前识别问题的气体检测设备，架内喷水灭火系统，在火灾前瞄准温度升高的水枪。这些系统与传统的生命安全工具相结合，如分隔不同危险分类区域的防火墙。

由于这些工厂的独特性质，美国锂离子电池制造的建筑条例才刚刚制定出来。之前，建筑条例仅针对电池储存系统，而非制造过程。因此，在项目开始时，制定生命安全计划和消防方案，供当地建筑和消防官员审查。

挑战三：与工艺设备供应商联络

由于美国仍然追补电池制造技术，美国电池制造设备安装的大部分工艺设备来自中国、韩国和日本。这就意味着要跨越语言障碍、时间障碍和许多早晚会议进行交流。

这对于技术翻译也是个巨大的挑战。在理想情况下，团队中工程师可以成为语言障碍的桥梁。如果没有翻译人员，工程师则至关重要。然而，仅是翻译人员是不能起到良好效果的，因为翻译人员不了解技术上的细微差别，是无法翻译出正确的意思的。因此，团队中需要有一位不仅具有技术经验，还需要具备语言技能的人是至关重要的。

此外，不懂双语的团队成员需要理解所说与实际意义上的差别。需要有足够的耐心与时间来真正理解双方讨论的内容。

视频电话在沟通上是非常重要的。当你看到某人时，即使你做不到跟他说相同的语言或有一个翻译人员在场，你可以通过肢体语言观察。另外，永远不要低估图像的价值，当你试图跨越语言障碍时，一张图片可抵万千语言。最后，增加会议时间也是非常关键的。双语会议的时间至少是通常预期的两倍。

挑战4：高电力需求

当设计大型电池制造厂的最后一个挑战要求非常高的电力。除了正常电力需要外，电池制造的形成阶段还需要对每个单元电池进行充电和放电。导致这些设备对电力的要求非常高，这可能需要一个新的专用变电站。新的变电站需要很长的周期，推进日程安排。

‘Power On’成为了一个重要的日子。因此，团队必须有迅速了解电力需要的能力，并与公用设施供应商进行有效协调。这些供应商通常独立于其他政府机构运作。

成功的秘诀

为了有效地开发电池制造厂，需要成功的结合以上四项挑战，随着科技的进步发展。我们已经在探索这些设备在未来10年的发展方向，像是更小的干燥环境，更少密集的电力使用和回收利用，不同的建筑条例，更先进的防火消防系统，这些只是我们在未来电力发展中看到的一些进步。