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普沃思: 全固態(tài)電池量產(chǎn)迎關(guān)鍵進展,硫化氫處理工藝取得新突破

電力網(wǎng)發(fā)布時間:2025-12-31 18:45:10
當(dāng)前,全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化路徑已基本明確,多家企業(yè)計劃于2027年實現(xiàn)小批量裝車,標志著該技術(shù)將正式邁向規(guī)?;瘧?yīng)用。

業(yè)內(nèi)人士分析認為,2025–2026年中試生產(chǎn)線設(shè)備需求進入快速增長期,是工藝驗證、設(shè)備調(diào)試與工程定型的關(guān)鍵階段;2027–2030年GWh級固態(tài)電池產(chǎn)能建設(shè)將逐步啟動,推動行業(yè)進入規(guī)?;a(chǎn)新周期。

從技術(shù)路線來看,硫化物路線被公認為固態(tài)電池性能潛力最大的技術(shù)方向,豐田一直深耕于此,積累專利1300多項。在國內(nèi),寧德時代、比亞迪、一汽等都在集中攻克硫化物技術(shù)卡點。

全固態(tài)電池對生產(chǎn)環(huán)境要求極高,如硫化物路線對濕度、氧氣極度敏感,遇濕即釋放毒氣——硫化氫(H?S),且易爆炸。這對生產(chǎn)線環(huán)境提出極高要求,且如何安全、環(huán)保、高效處理硫化氫氣體已成為全行業(yè)挑戰(zhàn)。

一、硫化氫高低濃度

目前,全固態(tài)硫化物體系電池生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的硫化氫(H?S)氣體主要分兩大類:高濃度硫化氫和低濃度硫化氫。其中,高濃度硫化氫源于眾多工藝單元,濃度偏高,大約在10ppm,甚至更高;低濃度硫化氫源于空間擴散,濃度大約1-5ppm(硫化氫濃度數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)有工藝反饋,數(shù)據(jù)需要生產(chǎn)工藝優(yōu)化后同步更新)。

二、傳統(tǒng)方案:從源頭抑制

目前業(yè)界(實驗室或小型中試線)普遍采用惰性氣體保護系統(tǒng),并搭配超低露點與超高密封性的閥門、管道和密封件。其核心機理是從“抑制產(chǎn)生”入手。該方法在實驗、手套箱及小試階段尚可適用,運行成本與初投資也可接受。然而,規(guī)?;a(chǎn)代價太大,很難大規(guī)模推廣應(yīng)用,難以滿足全固態(tài)電池規(guī)?;a(chǎn)業(yè)驗證。
 
三、新思路:過程凈化

在H?S 氣體產(chǎn)生后,通過過程凈化,來解決H?S 問題。

1.與除塵系統(tǒng)配合凈化

中試生產(chǎn)線在H?S 濃度較高且產(chǎn)生粉塵的區(qū)域,此處H?S 濃度通常在10ppm以上。

①先經(jīng)除塵設(shè)備處理,再采用活性炭與金屬氧化物吸附H?S 。
 

②針對中試生產(chǎn)線 H?S 濃度 10ppm 以上、經(jīng)除塵設(shè)備預(yù)處理后的場景,轉(zhuǎn)輪吸附法可實現(xiàn)硫化物的深度凈化,最終出口 H?S 濃度能降至接近 0 的水平。
 

2.與除濕系統(tǒng)配合凈化

生產(chǎn)車間中濃度較低的H?S 氣體,會被除濕系統(tǒng)的負壓回風(fēng)帶入除濕機內(nèi)部。該除濕機裝有活性炭過濾器/除硫轉(zhuǎn)輪,可先吸附硫化氫,再進行除濕。

①除濕系統(tǒng)中加入活性炭過濾

活性炭吸附優(yōu)勢:
● 設(shè)備簡單
● 無需再生能源
● 適用于處理低濃度的場合
活性炭吸附劣勢:
● 初投資比較大
● 需要定期更換,大約1-3個月更換一次,維護成本高
● 對于稍高濃度的場景需要的用量比較大,對于緊湊空間不友好
● 產(chǎn)生危險固廢
● 適用風(fēng)速較低,一般需要低于0.5m/s
● 需要停機更換
a.風(fēng)速2m/s,停留時間5秒,那么活性炭過濾段長度需要10m。
b.風(fēng)速0.5m/s,停留時間5秒,那么活性炭過濾段長度需要2.5m,但是橫截面積會比除濕機大很多。

②除濕系統(tǒng)中加入除硫化氫轉(zhuǎn)輪

a.單轉(zhuǎn)輪

露點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,安裝維護簡單,體積小,成本低,適合于空間小的場所。實現(xiàn)低露點、超低露點的環(huán)境日韓企業(yè)應(yīng)用居多。

b.雙轉(zhuǎn)輪

適合于大風(fēng)量并且相對節(jié)能的固態(tài)電池工廠,再生溫度比單轉(zhuǎn)輪低,120-140℃,再生風(fēng)量小,為處理風(fēng)量1/10,運行能耗比單轉(zhuǎn)輪低。但是除濕機體積比單轉(zhuǎn)輪除濕機要大,應(yīng)用范圍相對固定化。

c.多級轉(zhuǎn)輪

適合于大風(fēng)量并且超級節(jié)能的固態(tài)電池工廠,采用多級除濕轉(zhuǎn)輪的方案,再生溫度低,70-90℃,適配低品位熱源,為超級節(jié)能系統(tǒng)。
 

工藝整合:除塵、除濕與除硫的系統(tǒng)耦合

可以看到,液態(tài)電池的生產(chǎn)車間完全無法達到硫化物路線嚴苛環(huán)境的生產(chǎn)標準。在液態(tài)電池生產(chǎn)中,除塵與除濕原本關(guān)聯(lián)不大。然而,在全固態(tài)電池,尤其是硫化物固態(tài)電池路線中,除塵與除濕因H?S緊密關(guān)聯(lián)。“如今因H?S問題,除塵設(shè)備后端需增加除硫功能,除濕設(shè)備的前端或中段也需增加除硫功能。”業(yè)內(nèi)人士指出,若除塵后端除硫效果較好,除濕除硫的壓力便會減輕,“這是在整體設(shè)計中必須關(guān)注的重點。”

在固態(tài)電池規(guī)?;a(chǎn)線中,除常規(guī)活性炭外,普沃思自主研發(fā)的H?S吸附轉(zhuǎn)輪吸引了多家電池企業(yè)固態(tài)電池中試線的關(guān)注。該技術(shù)無需像活性炭那樣定期停機更換過濾器,也不產(chǎn)生危廢。

露點平衡:露點越低,產(chǎn)生H?S越少,對應(yīng)的風(fēng)量大,能耗高。產(chǎn)生的H?S能夠處理時,則不需要那么低的露點,風(fēng)量可以減小,能耗可以降低,露點處理與H?S處理存在平衡關(guān)系。

技術(shù)挑戰(zhàn):活性炭吸附在風(fēng)速匹配中的局限

改性后的活性炭吸附H?S時需要一定時間,風(fēng)速不宜過快。然而除濕機內(nèi)部風(fēng)速通常在2–4m/s,這對活性炭吸附H?S極為不利。風(fēng)速過高會嚴重影響吸附效果。

解決方案是大幅增加活性炭厚度,但這會導(dǎo)致除濕機長度增加,系統(tǒng)變得復(fù)雜、尺寸過長。這一問題在規(guī)?;a(chǎn)中尤為突出,小試或中試階段則不明顯。

在固態(tài)電池除塵除硫中,活性炭同樣面臨風(fēng)速限制,一般需在0.5m/s以內(nèi)。由于除塵除硫風(fēng)量不大,活性炭可通過加高方式應(yīng)用。業(yè)界也有采用金屬氧化物輔助活性炭,以解決風(fēng)速過高導(dǎo)致的吸附量不足和精度下降問題,但仍需定期更換活性炭與金屬氧化物。

主流除硫技術(shù)路線

在規(guī)?;a(chǎn)中,除塵與除濕系統(tǒng)的除硫方案主要有以下兩種

——活性炭+金屬氧化物

——H?S 吸附轉(zhuǎn)輪

除塵除硫、除濕除硫都會進行匹配應(yīng)用。

(注:文中提到的方案和文字版權(quán)歸普沃思所有,方案已申請專利)

經(jīng)濟性對比分析
 
(以上評估還需實驗及工程化應(yīng)用得出準確數(shù)據(jù),僅為趨勢評估)
 




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