用于锂电池制造的高纯度氮气（来自低温空分装置）已不再是小众话题。超干燥氮气已成为影响产品质量、安全性和产量的关键因素。对于工艺工程师和研究人员而言，问题不再是是否需要氮气，而是如何规范、设计和运行氮气供应系统，使其能够支持电池价值链中的每一个关键环节。
本文概述了为什么低温空气分离装置 (ASU) 经常被选为大型锂电池工厂高纯度氮气的主要来源，氮气质量如何与工艺性能相关，以及工程师在将这种气体供应集成到干燥室、烘箱和手套箱中时应考虑哪些因素。
1. 为什么锂电池工厂需要高纯度氮气
锂电池制造对氧气和水分异常敏感。正负极粉末、粘合剂、电解液和隔膜都会与大气成分发生反应——有时缓慢，有时则剧烈。即使是微量的水分也会引发以下问题：
- 锂盐和添加剂的水解
- HF和其他腐蚀性物质的形成
- 电极界面劣化和电池阻抗增加
- 成品电池的气体产生和膨胀
为避免这种情况，生产线采用超干燥室和高纯氮气环境相结合的方式。氮气用于：
- 粉末处理和混合 – 防止氧化和吸湿
- 电极涂覆和干燥 – 作为对流式或红外烘箱中的吹扫气体
- 高温煅烧和烧结——用于阴极材料加工
- 电解液填充和密封——最大限度减少溶解氧和水分
- 形成和老化——作为形成室和储存室中的覆盖气体
对于年发电量达数十吉瓦时的现代化工厂而言，氮气总需求量可达数千立方米/小时。在此范围内，与卡车运输的液态氮气或小型现场制氮机相比，利用低温空分装置生产高纯氮气用于锂电池制造在技术和经济上都更具吸引力。
2. 为什么低温空分装置适用于大批量电池生产
低温空分装置通过将空气冷却至低温，并在蒸馏塔中精馏混合物来分离空气。同一装置还可以提供用于工艺的氮气和用于备用或对外销售的液氮。
对于锂电池制造而言，低温空分装置具有以下几个优点：
- High and stable purity
- Nitrogen purity above 99.99% is routinely achievable, with impurities in the ppm range when required.
- Oxygen and moisture levels can be controlled tightly when coupled with appropriate purification and distribution design.
- Large, continuous flow
- ASUs are designed for continuous operation at high loads, matching the 24/7 nature of battery plants.
- One unit can feed multiple dry rooms, ovens, gloveboxes and filling lines.
- Multi-product flexibility
- In addition to nitrogen, the same ASU can provide oxygen for auxiliary combustion or waste treatment and argon for specialty welding or analytical systems.
- Favourable lifecycle cost at scale
- While capital-intensive, cryogenic ASUs can offer lower long-term cost per Nm³ of nitrogen in very large plants, especially when product mix and by-products are utilised efficiently.
对于规模较小或模块化的电池装置，PSA 或膜氮气系统可能仍然更合适。然而，一旦需求达到“超级工厂”级别，从低温空分装置 (ASU) 中获取用于锂电池制造的高纯氮气通常是产能规划的自然下一步。对于大型超级工厂而言，高纯<a href="空气分离 - 概述（维基百科）"用于锂电池制造的氮气最可靠的供应方式是使用现场低温空分装置 (ASU)。
3. 锂电池制造中氮气的质量要求
不同生产商和化学体系对氮气的具体规格要求有所不同，但它们都朝着同一个方向发展：极高的纯度和极低的含水量。<a href="http:// NIST 化学网络手册 – 氮气的热物理性质 表 1 给出了许多高端锂电池工厂使用的参考值。
表 1 – 锂电池工艺中典型的氮含量规格（参考值）
| 范围 | 典型要求（工艺气体） |
|---|---|
| 氮气纯度（体积百分比） | ≥ 99.999 |
| 残余氧（ppm v/v） | ≤ 5–10（关键区域，例如电解液填充） |
| 露点（管线压力下的摄氏度） | ≤ −60（干燥室、电极干燥、灌装线） |
| 含油量 | 低于检测限；无油压缩机和过滤 |
| 颗粒清洁度 | 符合 ISO 洁净室等级（例如 ISO 7-8 级） |
| 使用点压力（巴克） | 通常为 4-8，具体取决于设备 |
| 短期纯度稳定性 | 负荷变化或工厂降负荷期间无峰值波动 |
这些数据并非通用的“标准”；相反，它们是设计气体系统时为支持敏感、吸湿性材料和实现长日历寿命而设定的实用目标。工程师在为锂电池制造指定低温空分装置 (ASU) 的高纯氮气时，应首先确定自身的产品可靠性目标，然后设定具有适当安全裕度的气体质量限值。
4. 低温空分装置与变压吸附和膜分离系统对比
为了完整起见，表 2 将低温空分装置与 PSA 和膜式制氮机在锂电池工厂中进行了对比。精心设计的分配网络确保用于锂电池制造的高纯度氮气从空分装置出口到每个干燥室和工艺设备都保持相同的纯度。
表 2 – 大型电池设施氮气发生技术比较（综合）
| 特征 | 低温空气单元 | PSA氮系统 | 膜氮系统 |
|---|---|---|---|
| 典型纯度范围 | 99.9–99.999% | 95%–99.999%（取决于设计） | 95–99.5% |
| 最佳经济流量范围 | ≥ 3,000–5,000 Nm³/h 及以上 | ~100–3,000 Nm³/h | ~50–2,000 Nm³/h |
| 氧杂质控制 | 极佳，可达到ppm级 | 良好，但高流量时氧气含量通常较高。 | 氮回收率较高时受到限制 |
| 露点（在适当干燥的情况下） | 极低（可达到≤−60 °C） | 非常低，加上额外的烘干机 | 中等；深度干燥，通常为外部干燥 |
| 对快速负载变化的响应 | 速度较慢；需要缓冲。 | 比低温加速更快 | 最快响应 |
| CAPEX | 高的 | 中等的 | 低至中等 |
| 大规模运营支出 | 每立方米价格低 | 中等的 | 中等的 |
| 多气体能力（O₂/Ar） | Yes | 中等的 | 中等的 |
| 锂电池工厂的典型应用 | 大型综合体，超级工厂 | 中小型工厂、卫星设施 | 专用线路或备用电源 |
实际上，许多生产商采用混合方法，例如：
- 低温空分装置作为高纯氮的基础负荷供应器
- PSA装置或液氮储存作为备用和削峰措施
- 用于辅助或非关键用途的局部膜装置
这种组合使得来自低温空分装置（ASU）的高纯氮气能够满足锂电池制造的核心工艺要求，而其他技术则增加了灵活性。
5. 将低温空分装置产生的高纯氮气集成到锂电池制造中
高纯氮气的供应并非止于空分装置冷箱。下游管网的设计对于维持使用点的气体质量同样至关重要。
5.1. 典型的氮气供应架构
大型锂电池工厂的简化架构可能包括：
- 低温空分装置 (Cryogenic ASU) – 生产分配压力下的气态氮，并在需要时生产液氮用于储存。
- 缓冲和储罐——平抑短期瞬态波动，并在轻微扰动期间提供缓冲保障
- 主配水管 – 采用环形或环路布局，以最大限度地减少压降并提供冗余。
- 压力控制和精炼 – 局部减压站，可选催化脱氧或吸附精炼（适用于需要超低氧含量的情况）
- Dedicated branches to:
- Dry rooms for electrode processing and cell assembly
- High-temperature ovens and furnaces
- Electrolyte filling and vacuum drying systems
- Formation chambers and ageing warehouses
正确选择管线、阀门和控制回路的尺寸有助于确保在空气分离器出口处测量的纯度和露点在最终设备连接之前保持不变。
5.2 监测与控制
对于锂电池制造中低温空分装置（ASU）生产的高纯氮气而言，连续监测至关重要。典型的监测仪器包括：
- 主管道和关键分支上的痕量氧分析仪
- 水分分析仪尤其适用于干燥室和灌装设备的供水生产线。
- 流量和压力变送器用于检测异常消耗或泄漏
- 在工艺设备中，如果氮气泄漏可能导致安全风险或报废，则应设置本地报警器和联锁装置。
这些仪器的数据通常会集成到工厂的 DCS 或 MES 中，从而可以进行长期趋势分析，并建立气体质量与产品 KPI（如产能保持率或故障率）之间的相关性。
6. 能源和优化方面的考虑
尽管低温空分装置在高产能下效率很高，但它们仍然占据工厂能源消耗的很大一部分。对于希望优化低温空分装置生产高纯氮气以用于锂电池制造的工程师来说，有几种方法可供选择：
- 热集成和工艺设计
- 优化塔压、回流比和换热器温度曲线，以降低单位功率消耗。
- 在可行的情况下，考虑与废热、蒸汽系统或动力循环相结合。
- Load management
- Operating the ASU at a relatively stable base load and using storage or secondary generators to absorb peaks.
- Aligning major nitrogen consumers, such as formation lines, with periods of favourable electricity tariffs where possible.
- Distribution efficiency
- Minimising unnecessary pressure drops in the pipeline network, which would otherwise require higher ASU discharge pressure and increased compressor power.
- Designing sensible zoning so that ultra-high purity nitrogen is reserved for the most sensitive operations.
- Reliability engineering
- Redundancy in critical rotating equipment, backup power for control systems and robust startup/shutdown procedures help minimise unplanned downtime.
- Liquid nitrogen storage allows the plant to maintain key operations during short ASU outages.
7.展望
随着电池结构的演变以及高镍正极和富硅负极等新型化学材料的普及，电池对水分和氧气的敏感性不太可能降低。相反，其容差可能会更加严格。与此同时，降低超级工厂的能源消耗和碳排放的压力也越来越大。
在此背景下，利用低温空分装置（ASU）生产高纯氮气用于锂电池制造，只要设计合理、集成到位，便可兼顾质量和规模。对于研究人员和工程师而言，不仅要了解空分装置本身，还要了解下游的分配、监控和优化方案，这对于构建下一代高效可靠的电池工厂至关重要。简而言之， 用于锂电池制造的高纯度氮气 仍将是下一代超级工厂的基石。
