في مجال تصنيع بطاريات الليثيوم، أصبح صندوق القفازات، وهو قطعة تبدو عادية لكنها بالغة الأهمية، أداةً أساسيةً لضمان أداء البطاريات وتحقيق التقدم التكنولوجي. فهو يُهيئ بيئةً فائقة النقاء بعزل الرطوبة والأكسجين والشوائب عن الهواء، مما يوفر ضماناتٍ موثوقةً لتركيب مواد الأقطاب الكهربائية، وتحضير الإلكتروليتات، وتجميع البطاريات، واختبار أدائها. ستُحلل هذه المقالة القيمة التقنية ومنهجية تطبيق صندوق قفازات بطاريات الليثيوم من ثلاثة جوانب: التعريف، والوظيفة الأساسية، واستراتيجية الاختيار.
1. ما هو الليثيوم؟صندوق قفازات البطارية
صندوق قفازات بطارية الليثيوم هو جهاز مغلق بالكامل. من خلال هيكل صندوقي من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الأكريليك الشفاف، وواجهة تشغيل القفازات، ونظام تنقية الغاز، يتم التحكم في محتوى الأكسجين داخله بحيث لا يتجاوز جزءًا واحدًا في المليون، والرطوبة بحيث لا تتجاوز 0.1 جزء في المليون. يتضمن هيكله الأساسي ما يلي:
هيكل صندوقي مُحكم الإغلاق مزدوج الطبقات: يُعزل هيكل الصندوق الرئيسي عن حجرة الانتقال، وقبل التشغيل، تُجرى دورة ضخ بالتفريغ وملء بالغاز الخامل لتقليل خطر التلوث المتبادل بنسبة 90%. على سبيل المثال، في مرحلة حقن الإلكتروليت في بطاريات أيونات الليثيوم، يُمكن لتنقية حجرة الانتقال أن تُقلل من تسرب المياه من القيمة البيئية (حوالي 20,000 جزء في المليون) إلى أقل من 0.1 جزء في المليون.
واجهة تشغيل القفازات: مُجهزة بـ ٢-٤ قفازات من النتريل أو اللاتكس، بقطر ٢٠٠ مم، ومناسبة للاستخدام مع المعدات التجريبية التقليدية. يُجري المُشغِّلون عمليات دقيقة، مثل قطع الأقطاب الكهربائية والتغليف، باستخدام القفازات لتجنب التلامس المباشر مع المواد الضارة.
نظام التنقية: تمتص المناخل الجزيئية الرطوبة، وتُحلل المحفزات الأكسجين، ويُحقق الاستخدام المشترك لمروحة دائرية تنقية ديناميكية للغاز. تستطيع المعدات القياسية خفض محتوى الأكسجين في صندوق بأبعاد 875 مم × 480 مم × 500 مم من 21% إلى أقل من جزء واحد في المليون، وخفض الرطوبة البيئية إلى أقل من 0.1 جزء في المليون خلال ساعتين.
2. الوظيفة الأساسية
حماية المواد: منع سلسلة التفاعل الكيميائي
المواد الأقطاب الكهربائيةبطاريات الليثيوم (مثل أكسيد كوبالت الليثيوم والجرافيت) والإلكتروليت حساسة للغاية للرطوبة والأكسجين. على سبيل المثال، يُكوّن القطب السالب لمعدن الليثيوم أكسيد الليثيوم عند تعرضه للهواء لمدة 10 دقائق فقط، مما يؤدي إلى فقدان المواد الفعالة؛ ويتحلل LiPF6 الموجود في الإلكتروليت عند تعرضه للرطوبة مُنتجًا HF، مما يُؤدي إلى تآكل مواد القطب وإتلاف غشاء واجهة الإلكتروليت الصلب (معهد إس إي آي). يحافظ صندوق القفازات على محتوى أكسجين أقل من جزء واحد في المليون ومحتوى رطوبة أقل من 0.1 جزء في المليون، مما يزيد من عمر دورة البطارية من 800 مرة إلى 1200 مرة، ويُقلل معدل تدهور السعة من 8% سنويًا إلى 2%.
دقة العملية: تعزيز اتساق الإنتاج
في عملية تحضير معجون الأقطاب الكهربائية، يمنع صندوق القفازات تفاعل المواد الفعالة مع الهواء، مما يضمن تجانس المعجون، ويقلل انحراف سمك الأقطاب الكهربائية من ±5 ميكرومتر إلى ±2 ميكرومتر. في مرحلة تجميع البطارية، يدعم صندوق القفازات التشغيل المتكامل لمعدات مثل آلات التصفيح والحقن، مما يخفض تكلفة العمالة لكل جيجاواط/ساعة من 15 مليون يوان إلى 8 ملايين يوان، ويزيد معدل إنتاج المنتج من 88% إلى 94%.
مراقبة السلامة: تقليل مخاطر العملية
يتطلب لحام سبائك التيتانيوم بالليزر عزل الأكسجين لمنع أكسدة اللحام وهشاشته. يتميز غلاف البطارية الملحوم في صندوق القفازات بقوة شد متزايدة من 600 ميجا باسكال إلى 800 ميجا باسكال، كما زادت قوة هيكله بنسبة 30%. في التغليف المعقم لدعامات القلب، ساهم صندوق القفازات، بالتزامن مع نظام ترشيح الهواء عالي الكفاءة (مرشحات الهواء عالية الكفاءة (HEPA)) (بكفاءة ترشيح للجسيمات تبلغ 99.97%)، في خفض معدل التلوث الميكروبي من 0.3% إلى 0.01%، مما قلل بشكل كبير من خطر العدوى بعد الجراحة.
3. كيفية اختيار صندوق القفازات
مطابقة المتطلبات البيئية
الغلاف الجوي للغاز: يجب أن يكون محتوى الأكسجين في إنتاج بطاريات الليثيوم أيون أقل من 1 جزء في المليون ويجب أن يكون محتوى الرطوبة أقل من 0.1 جزء في المليون؛ بالنسبة لأبحاث بطاريات الحالة الصلبة، قد يكون هناك حاجة إلى خليط من الأرجون وثاني أكسيد الكربون.
التحكم في درجة الحرارة والرطوبة: تتطلب معالجة مواد الأقطاب الكهربائية بدرجة حرارة عالية بيئةً تصل إلى 300 درجة مئوية. يجب تجهيز صندوق القفازات بوحدة تدفئة كهربائية ونظام تبريد سريع.
التوافق التشغيلي
حجم الصندوق: صغير (50×80×50 سم) مناسب لتحليل العينة؛ متوسط (80×120×100 سم) يدعم تحضير وتجميع الأقطاب الكهربائية؛ كبير (120×180×150 سم) يمكن أن يدمج آلة تعبئة وآلة تغليف لتحقيق خط إنتاج آلي.
مادة القفاز: قفازات النتريل مقاومة للتآكل الكيميائي ومناسبة لعمليات الإلكتروليت؛ قفازات اللاتكس تتمتع بمرونة عالية ومناسبة للعمليات الدقيقة مثل قطع الأقطاب الكهربائية.
التحقق من معلمات الأداء
قدرة التنقية: يجب أن يكون معدل تدفق مروحة الدوران ≥ 10 متر مكعب/ساعة، وأن يصل إلى البيئة المستهدفة خلال ساعتين. تم قياس معدات من علامة تجارية معينة، وتبين أن صندوقًا بأبعاد 875 مم × 480 مم × 500 مم يمكنه التنقية من القيمة البيئية إلى القيمة المستهدفة في ساعة ونصف فقط.
أداء الختم: يجب أن يكون معدل التسرب أقل من 0.05% حجم/ساعة، ويجب أن يُظهر اختبار تخفيف الضغط انخفاضًا بنسبة ≤ 0.03% خلال 24 ساعة. تتمتع المعدات ذات تصميم الحلقة الدائرية المفرغة بعمر ختم يصل إلى 10 سنوات أو أكثر.
