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利用Triz发明方法解决电解液致冷效率问题的一个例子

已有 1504 次阅读 2022-4-12 16:53 |个人分类:锂电电解液|系统分类:论文交流

之前本人在博客中讨论过不同金属的导热能力差异极大,基于这一差异可以用来提升电解液生产中的致冷效率问题。最近本人申请的一篇实用新型专利授权(当然也公开了),正是利用Triz方法来分析矛盾并找到解决方案的。具体的分析过程在专利中已经论述,节选一下内容发出来和同行分享下。


(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)实用新型专利

CN 215939645 U

新型电解液调配装置

 近年来,锂离子电池的生产得到了快速的发展,电解液的用量也日益增加。在电解液的生产过程中,锂盐溶解产生溶剂化作用会释放出大量的热量,导致电解液温度上升;而温度的上升会导致锂盐和/或热不稳定性添加剂产生变质,因此电解液生产过程中需要严格控制温度。


 目前普遍采用夹套釜进行降温,夹套内是循环流动的冷冻液(如乙二醇的水溶液),釜内是调配的电解液溶液,通过夹套釜内壁进行热量交换,从而起到降低溶液温度的作用。当釜的体积较小(如小于5000L)时,内壁用于热交换的面积相对于釜的体积较大,可以满足电解液生产迅速降温的要求;但当釜的体积上升到10000L甚至更高时,由于提高生产效率的需要,往往在釜上安装2~3个甚至更多的锂盐加料口,单位时间内溶解的锂盐更多,热量的释放速度更快,无法满足控制温度的需求,只能降低锂盐加料速率,此时,夹套釜冷却的方式就变成了生产过程的瓶颈,限制了电解液的生产速率。

 经分析发现,造成夹套釜换热瓶颈的主要原因如下:

 (1)夹套釜内壁换热面积有限。

 为提高换热面积,东莞杉杉专利CN103390771A公开了采用循环泵将电解液转移到混合釜外进行换热的方法,釜外部空间大,可以配置不同面积的换热器来解决釜内壁换热面积小的问题,从而提高生产效率。但这种方式也存在缺陷,如外部管道中容易积累电解液残液,清洗时需消耗大量溶剂,容易造成浪费。

 (2)冷冻液和电解液的温差不足。

 通过降低冷冻液的温度来提高冷冻液和电解液的温差,这在一定范围内有效,但降低冷冻液温度对冷冻机和输送管道的保温提出了更高的要求,导致能量的利用效率下降和成本上升,总体经济性差。

 (3)釜内壁导热速度慢。

 首先,釜内壁的导热速度与釜壁的材料有关。一般地,不锈钢材料的导热率并不理想,例如SS304的导热速度仅为15W/(m· K),不锈钢SS316L的导热速度为14W/(m· K)左右。相比之下,银的导热速度为420W/(m· K),铜的导热速度为400W/(m· K),铝稍差一些,也有237W/(m· K),都显著高于不锈钢材料。不锈钢的导热速度仅为银、铜等金属的3~4%,差距十分显著,但银、铜等金属的机械强度较低,成本较高。 其次,釜内壁的导热速度与壁厚成反比。当成本限制较严格时,在材质不变的情况下,可以降低换热壁的厚度来提高换热速度。如果将壁厚减薄到原来的1/4,则换热速度将上升到原来的4倍左右。然而,夹套釜内壁除了换热之外,还承担着支撑内容物的作用,若釜内壁过薄,其在电解液溶液巨大的重量压迫下可能变形或破裂,造成安全事故。因此,釜内壁必须做得较厚以增加其强度,以保证使用安全,这一要求与减薄板材以提高导热能力又是互相矛盾的。(物理矛盾分析)


 为了解决上述技术问题,本实用新型提出了一种换热效率高、降温效果好、结构简单、安全有效的电解液调配装置。

 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:(思路:解决物理矛盾,采用了空间分离的思路)

 一种新型电解液调配装置,包括调配容器、混合部件,所述电解液调配装置还包括:

 制冷模块,所述制冷模块包括制冷板和支撑件,所述制冷板通过支撑件连接所述调配容器的内侧壁;所述制冷板为含空腔的密封结构,空腔内含冷冻液,所述制冷板为厚度0 .5~4mm的不锈钢板、导热系数≥100W/(m· K)的金属板或不锈钢与热的良导体形成的复合板。

 所述复合板为双层结构,包括:与冷冻液接触的热的良导体层,以及与电解液接触的不锈钢层。

 所述热的良导体层的材质选自铜、银或铝,厚度为2~8mm;所述不锈钢层的厚度为0.5~3mm。

 本实用新型所述制冷板对电解液(含锂盐、溶剂和添加剂)具有耐腐蚀性。银、铜、铝等材质的导热性非常好,但其耐腐蚀性和机械性能不及不锈钢板。因此,为综合导热性、耐腐蚀性和机械性能,当所述制冷板为复合板时,采用双层结构,热的良导体层置于内层,与冷冻液接触;不锈钢层置于外层,与电解液接触。

 当所述制冷板采用不锈钢板时,在保证强度满足要求的情况下,尽可能采用薄的板材,如厚度为2.0mm甚至1 .5mm的板材,以提高导热速度。

 当所述制冷板采用金属板是,可以是铝合金板、铜合金板、钛板等,厚度为1~6mm。

 所述制冷板可根据所述支撑件向上或向下调节位置,以确保所述制冷板在工作状态时,与电解液接触。优选地,所述制冷板在工作状态时位于电解液液面下。更为优选地,所述制冷板在工作状态时浸没于电解液中,但靠近电解液液面,以降低流体压强。 进一步地,所述制冷板上设有通孔,便于电解液流动。通孔的形状不受限制,如圆柱体、方柱体,只要电解液可穿过所述通孔即可。

 采用本实用新型的电解液调配装置,可采用常规较厚的单层容器壁来承载电解液的重量,无需使用含冷冻夹套的调配容器,电解液的冷却通过高导热效率的制冷板实现。所述制冷板不同于冷却内壁,它不需要承载电解液的重量,只需要浸没在电解液中承受流体的压强或流动冲击力即可。由于不再需要支撑电解液的重量,制冷板的壁厚可以尽可能薄(如4mm、3mm、2mm),以提高换热的速率。

 所述制冷板的形状不受限制,可以是环形板、扇形板、弧形板、圆柱形板或矩形板。作为优选,所述制冷板为环形版或弧形板。

 本实用新型所述制冷板的数量不受限制,作为优选,所述制冷板至少一个。


总结:

1)利用了空间分离的原理,将致冷与承重两种功能分离到不同的部件来实现,是典型的空间分离原理。

2)发现并利用高导热能力的材料并规避它的不足,也有空间分离的思路在内。

3)涉及专业发明,除了方法论外,还得有专业的背景支持才能找出适宜的方案。方法论与专业知识都不可少。




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