ULPA过滤器在锂电池生产干燥房中的湿度与颗粒控制

一、引言

随着新能源产业的迅猛发展，锂离子电池作为核心储能器件，在电动汽车、消费电子、储能系统等领域得到广泛应用。其性能、安全性和循环寿命高度依赖于制造过程中的环境洁净度与湿度控制水平。特别是在锂电池电极涂布、卷绕、注液等关键工序中，微小颗粒污染和水分侵入可能导致电池内短路、容量衰减甚至热失控等严重问题。

为保障锂电池生产的高良率与一致性，干燥房（Dry Room）作为关键工艺环境，必须维持极低的相对湿度（通常≤1% RH）和超高的空气洁净度（ISO Class 5或更高）。在此背景下，超高效颗粒空气过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, 简称ULPA过滤器）成为干燥房空气净化系统的核心组件，承担着去除空气中亚微米级颗粒物的关键任务。本文将系统阐述ULPA过滤器在锂电池生产干燥房中的应用机制，重点分析其对湿度与颗粒物的协同控制作用，并结合国内外权威文献与技术参数，深入探讨其选型、性能指标及实际工程应用。

二、锂电池干燥房的环境要求

2.1 干燥房的功能与结构

锂电池干燥房是一种通过精密空调系统（MAU+FFU+DCU组合）、除湿机组（Desiccant Dehumidifier）和高效空气过滤系统共同作用，实现恒温、恒湿、高洁净度的封闭式生产空间。其主要功能包括：

控制空气相对湿度在1% RH以下（部分高端产线要求≤0.5% RH）；
维持洁净度等级达到ISO 14644-1标准中的Class 5（即每立方米空气中≥0.3 μm颗粒数不超过10,000个）；
防止外部污染物（如粉尘、金属离子、有机挥发物）进入；
保证气流组织合理，避免死角和交叉污染。

2.2 湿度控制的重要性

水分是锂电池制造中的“隐形杀手”。根据《Journal of The Electrochemical Society》（2018）发表的研究，当电解液中水分含量超过20 ppm时，会引发以下副反应：

$$
mathrm{LiPF_6 + H_2O rightarrow LiF + POF_3 + 2HF}
$$

生成的HF具有强腐蚀性，会破坏SEI膜（固体电解质界面膜），导致电池内阻增加、容量下降和循环寿命缩短。此外，水分还会在负极表面还原生成氢气，造成电池鼓包甚至爆炸风险。

因此，干燥房的露点温度通常需控制在-60℃至-70℃之间，对应绝对湿度低于0.02 g/m³。

2.3 颗粒污染的危害

空气中悬浮的微粒（如纤维、金属粉尘、碳粉、硅尘等）若进入电池内部，可能造成：

正负极片间短路；
涂布不均，影响电化学性能；
注液过程中堵塞注液孔；
SEI膜形成异常。

据《中国电机工程学报》（2021）报道，直径大于5 μm的颗粒已足以引起局部微短路，而小于0.3 μm的超细颗粒则更易穿透多层隔膜，长期积累后引发热失控。

三、ULPA过滤器的技术原理与分类

3.1 ULPA过滤器的基本定义

ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter）即“超低穿透率空气过滤器”，是比HEPA（High Efficiency Particulate Air Filter）更高级别的空气过滤设备。根据美国国家标准学会（ANSI/ASHRAE 52.2）和欧洲标准EN 1822:2009，ULPA过滤器对0.12 μm～0.3 μm粒径颗粒的过滤效率不低于99.999%，穿透率低于0.001%。

标准体系	过滤等级	测试粒径（μm）	最小效率（%）	穿透率（%）
EN 1822:2009	U15	0.12–0.15	≥99.9995	≤0.0005
EN 1822:2009	U16	0.12–0.15	≥99.99995	≤0.00005
EN 1822:2009	U17	0.12–0.15	≥99.999995	≤0.000005
ANSI/ASHRAE 52.2	——	MPPS*	≥99.999	≤0.001

*MPPS：Most Penetrating Particle Size，最易穿透粒径

3.2 工作原理

ULPA过滤器采用深层拦截+扩散沉积+惯性碰撞+静电吸附四种机制协同作用：

深层拦截：空气通过由超细玻璃纤维（直径约0.3–0.5 μm）构成的三维网状结构，颗粒因尺寸过大无法通过而被捕获；
扩散沉积：对于<0.1 μm的超细颗粒，布朗运动增强，使其偏离气流路径并与纤维接触而沉积；
惯性碰撞：较大颗粒因惯性无法随气流转向，撞击纤维被捕获；
静电吸附：部分ULPA滤材经过驻极处理，带有永久静电荷，可增强对中性微粒的吸引力。

研究表明（Zhang et al., Aerosol Science and Technology, 2020），在0.1–0.3 μm区间，扩散机制起主导作用，这也是ULPA优于HEPA的关键所在。

3.3 常见类型与结构形式

类型	材料	结构特点	适用场景
平板式ULPA	玻璃纤维+铝箔分隔板	结构紧凑，压降低	小型FFU模块
袋式ULPA	多袋设计（6–12袋）	迎风面积大，容尘量高	大风量送风系统
有隔板ULPA	波形纸/铝箔隔板+玻璃纤维	密封性好，耐高温	高温干燥房
无隔板ULPA	V型折叠滤纸	占用空间小，效率高	净化棚、层流罩

四、ULPA在干燥房中的集成与运行策略

4.1 典型空气处理流程

在锂电池干燥房中，空气循环系统通常包含以下环节：

新风预处理单元（MAU）：引入室外空气，经初效（G4）、中效（F7/F8）过滤后进入转轮除湿机；
除湿转轮系统：采用硅胶或分子筛转轮，将空气露点降至-70℃以下；
冷却/加热段：调节温度至20–25℃；
ULPA过滤段：安装于FFU（Fan Filter Unit）或集中送风静压箱内，实现末端高效过滤；
回风混合：部分回风与新风混合以节能，但比例受限（通常<30%），防止污染物累积。

该系统架构参考了《暖通空调》（2022年第5期）中宁德时代某工厂的设计方案。

4.2 气流组织设计

为确保ULPA发挥最佳效能，干燥房需采用垂直单向流（Vertical Laminar Flow）布局：

FFU阵列布置于天花板，向下送风；
地面设置格栅回风口，形成自上而下的稳定气流；
风速控制在0.3–0.45 m/s，避免扰动粉尘；
换气次数≥60次/小时，确保快速稀释污染物。

表：典型锂电池干燥房气流参数对比

参数	数值范围	标准依据
洁净度等级	ISO Class 5	ISO 14644-1
换气次数	60–120次/h	GB 50073-2013
面风速	0.3–0.45 m/s	IEST-G-CC006
温度	22±2℃	GB/T 36374-2018
相对湿度	≤1% RH	SN/T 3768-2014
露点温度	-60℃ ~ -70℃	ASHRAE Handbook-HVAC Systems

4.3 ULPA与除湿系统的协同效应

尽管ULPA本身不具备除湿功能，但其与除湿系统的配合至关重要：

防止冷凝结露：若ULPA前空气未充分除湿，在低温段易产生冷凝水，导致滤材受潮、效率下降甚至滋生微生物。日本大金（Daikin）技术手册指出，ULPA入口空气露点应始终低于-40℃。
减少颗粒来源：干燥空气可抑制微生物繁殖和粉尘吸湿团聚，降低动态污染负荷。
延长滤芯寿命：低湿度环境下，滤材不易老化，静电保持能力更强，容尘量提升约15–20%（数据来源：Camfil White Paper, 2021）。

五、ULPA过滤器的关键性能参数

为科学评估ULPA在干燥房中的表现，需关注以下核心指标：

参数	定义	典型值	测试标准
过滤效率	对MPPS颗粒的捕集率	≥99.999%（U15）	EN 1822:2009
初始阻力	额定风量下压降	180–280 Pa	GB/T 6165-2021
额定风量	设计通过风量	800–1200 m³/h（标准尺寸）	——
容尘量	达到终阻力前可容纳颗粒总量	≥800 g	JIS Z 8122
终阻力	更换滤芯的压降阈值	450–600 Pa	——
泄漏率	局部泄漏允许值	≤0.01%	ISO 14644-3
防火等级	材料燃烧性能	UL900 Class 1 / GB 8624 B1	——

注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）通常位于0.12–0.18 μm之间，是衡量ULPA性能的关键测试点。

5.1 效率测试方法

国际通用的ULPA效率测试采用钠焰法或计数法：

钠焰法（NaCl Test）：通过燃烧氯化钠生成0.07–0.2 μm气溶胶，测量上下游浓度比。适用于批量检测，中国国标GB/T 6165沿用此法。
计数法（Particle Counting Method）：使用冷发烟发生器（如DOP、PAO）产生单分散气溶胶，配合激光粒子计数器逐点扫描。精度更高，符合EN 1822标准，常用于现场检漏。

5.2 实际案例：某动力电池厂ULPA配置

以比亚迪长沙基地为例，其干燥房总面积约3,200㎡，配备FFU共计860台，每台内置ULPA过滤器（型号：AAF ULPA-U16），具体参数如下：

项目	参数
过滤等级	U16（EN 1822）
过滤效率（0.12 μm）	99.99995%
初始压降	220 Pa @ 1,000 m³/h
尺寸	1170×570×90 mm
框架材质	阳极氧化铝
密封方式	液态硅胶密封
使用寿命	18–24个月（视环境负荷）

运行数据显示，该系统使房间内≥0.3 μm颗粒浓度稳定在3,500 particles/m³以下，远优于ISO Class 5限值（10,000 particles/m³）。

六、国内外研究进展与技术趋势

6.1 国外研究动态

美国能源部（DOE）在《Advanced Manufacturing Office Report》（2023）中指出，ULPA过滤器的能耗占整个干燥房系统总能耗的12–18%。为此，多家机构正研发低阻高效ULPA材料：

麻省理工学院（MIT）开发出纳米纤维复合滤材（直径50 nm），在保持99.999%效率的同时，阻力降低30%（Choi et al., Nature Materials, 2022）；
德国TÜV认证机构提出“智能ULPA”概念，集成压差传感器与IoT模块，实现远程监控与预测性维护。

6.2 国内技术创新

中国在ULPA国产化方面取得显著进展：

苏州华滤环保推出“HyPerFilter”系列ULPA，采用驻极体技术，对0.1 μm颗粒过滤效率达99.9998%，已应用于宁德时代、中创新航等头部企业；
清华大学环境学院研究团队（2023）开发出抗湿性ULPA滤纸，经氟化处理后在90% RH下仍保持99.99%效率，解决了高湿环境下的性能衰减问题。

6.3 新型材料与结构探索

技术方向	代表材料	优势	挑战
静电纺丝纳米纤维	PVDF、PAN	孔隙率高、阻力低	机械强度弱
石墨烯复合膜	rGO/PET	导电防静电、抗菌	成本高昂
自清洁涂层	TiO₂光催化	可分解有机污染物	需紫外光照
仿生结构	蜘蛛网仿生	高捕集效率、低风阻	批量制造难

资料来源：Separation and Purification Technology（2023）、《材料导报》（2024）

七、ULPA维护与管理规范

为确保长期稳定运行，ULPA过滤器需建立完善的运维体系：

7.1 日常监测项目

项目	监测频率	方法
压差	实时在线	差压变送器
洁净度	每班1次	激光粒子计数器
温湿度	连续记录	温湿度传感器网络
泄漏检测	每季度	PAO扫描法（ISO 14644-3）

7.2 更换周期判断

更换ULPA的主要依据包括：

压差达到终阻力设定值（一般为初始值的2–2.5倍）；
洁净度连续超标且排除其他污染源；
物理损伤（如撕裂、变形）；
使用年限超过制造商推荐值（通常2年）。

值得注意的是，过度延长更换周期可能导致系统能耗上升、风量不足，反而增加运营成本。

八、常见问题与解决方案

问题现象	可能原因	解决措施
压差增长过快	前级过滤器失效、空气中颗粒浓度过高	检查G4/F7初效滤网，加强车间清扫
局部泄漏	密封胶开裂、框架变形	重新打胶或更换密封条，校正安装平面
效率下降	滤材受潮、油雾污染	改善前置除湿，加装活性炭吸附层
风量不足	FFU风机老化、管道积尘	清洗风管，更换风机模组

九、典型供应商与产品对比

以下为全球主要ULPA制造商及其代表性产品：

品牌	国家	型号	过滤等级	初始阻力（Pa）	应用案例
Camfil	瑞典	ULPA 95	U15	200	Tesla上海工厂
AAF International	美国	Microguard ULPA	U16	230	LG Energy Solution
Freudenberg	德国	Nanoflux®	U17	260	BMW电池中心
KLC Filter	中国	KLC-ULPA-U16	U16	210	国轩高科
Suzhou Huafilter	中国	HF-ULPA16	U16	195	蜂巢能源