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化工原料常见问题

什么是NMP

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  N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一种高极性非质子传递溶剂,外观为无色透明或微黄色油状液体,微有胺的气味,对皮肤有轻度刺激。

       NMP,是最常用的锂电池辅材之一。

        NMP是PVDF粘结剂的溶剂,是N-甲基吡咯烷酮的英文缩写,一种无色透明液体,具有毒性低、沸点高、极性强、粘度低、溶解能力强、化学稳定性、热稳定性优良等特点,能与水、PVDF、正、负极材料等物质互溶,广泛运用于锂电池制备中。

        制作电极片时,NMP作为溶剂,将粘结剂、正极活性物质、导电剂等各种电极所需物质融合在一起,使粘结剂与其他物质充分接触,均匀分布。

       NMP作为溶剂,其质量直接影响锂离子电池拉浆涂布质量,为一项不可或缺的溶剂材料。从NMP应用领域分布情况来看,主要应用于锂电池制备中,占比74%。

       近5~10年来,由于锂电行业的迅猛发展,NMP消费规模增长迅速。2022年我国NMP消费量约为152万吨,其中锂电领域的消费量约为142.8万吨,约占我国总消费量的94.0%。随着新能源汽车市场规模不断扩大,锂电池需求量也随之增大。

       预计到2025年,我国NMP消费量将达344万吨。2022—2025年间,消费年复合增长率在31.3%左右。除用于锂离子电池领域外,NMP在电子化学品领域可用作光刻胶脱除液、半导体显示面板清洗剂。在聚合物合成中可作为对位芳纶、聚苯硫醚(PPS)和聚酰亚胺(PI)等特种聚合物的反应溶剂。


  NMP的物理特性表.png

  NMP的物理特性

  NMP具有高沸点、强极性、低粘度、强溶解能力、无腐蚀、毒性小、挥发度低,不易燃,化学及热稳定性好,可降解,可回收利用的特点,易溶于水、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、氯仿和苯,能溶解大多数有机与无机化合物、极性气体、天然及合成高分子化合物。

  NMP的技术参数.png

  NMP的技术参数

  目前主要应用于涂料、锂电池、塑胶、化学生产药剂、农用化学制品、颜料、清洗剂、绝缘材料等行业。这里我们主要讲述NMP在锂电池行业中的应用。

  NMP在锂电池领域的应用

  锂离子电池目前广泛应用于诸多领域,除日常生活中的笔记本电脑、手机、电动自行车、电动汽车之外,锂离子电池在能源储存领域也有重要应用。

  根据行业调研数据,从整体上看,NMP占锂离子电池制造成本的比重约为3%-6%,跟正极、负极、电解液和隔膜比起来,成本占比较小,但作用不可忽视。NMP的市场规模和需求也随锂离子电池,特别是储能电池、动力电池的增长而增长。

  NMP在锂电池生产中的重要作用

  NMP在锂电池生产中的用途,是溶解/溶胀PVDF,同时用来稀释浆料,浓度要求一般在99.9%以上。NMP作为锂离子电池制造过程中主要辅助材料之一,直接影响锂离子电池拉浆涂布质量和环保要求。

  NMP是锂电池正极粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)的配套溶剂,也是PVDF(聚偏氟乙烯)必需的配套溶剂。NMP能与水、PVDF、正、负极材料等物质互溶,因此被广泛运用于锂电池制备中,制作电极片时,NMP作为溶剂,可以将粘结剂、正极活性物质、导电剂等各种电极所需物质融合在一起,使粘结剂与其他物质充分接触,均匀分布。

  NMP的经济效益和环境效益分析

  2021年受益于新能源汽车行业的迅猛发展,NMP价格不断走高,已经从2021年初的1.5万元/吨涨至目前的4万元/吨以上。

  在锂电池生产过程中,NMP作为昂贵的溶剂,在涂布环节会产生高温NMP废气。若不进行有效回收,不仅造成原辅料的浪费,还会对环境产造成严重污染。我国对NMP的排放也有相关的控制要求,《电池行业清洁生产评价指标体系(试行)中废气污染物指标NMP的基准值1.5mg/m3》。《电池工业污染物排放标准》规定了NMP废气有组织排放浓度的限值要求为50mg/m3。因此,加强锂电池生产过程中的NMP排放控制及回收再生,具有较大的经济效益和环境效益。

  锂电池生产过程中NMP的产生及回收控制

  锂电池生产过程分析:

  锂离子电池生产工艺流程及污染物产生示意图.png

  锂离子电池生产工艺流程及污染物产生示意图

  从以上图中可以看出,NMP主要使用及排放均在正极制备工序,其中使用NMP的主要工序如下:

  涂布:采用涂布机将正极浆料(镍钴锰酸锂、导电炭黑、溶剂NMP、粘结剂PVDF的混合物)均匀涂敷在铝箔的两侧;

  烘干机采用密闭的负压抽风烘干机(烘干通道)。在涂布过程中,仅在涂布机进出口处有少量NMP挥发,烘干机内的废气通过引风机引至废气处理设施处理后高空排放;NMP废气有极少量由于烘干不充分等原因在车间内无组织挥发。

  烘烤:涂布完成后,在真空干燥机内对正极片进行烘烤干燥,烘烤温度为120±5℃;去除电极上的NMP成分。烘干的气体进入NMP回收装置进行回收。

  综上,NMP在锂电池生产过程中,主要在涂布的环节中使用,之后就是NMP的回收控制。

  NMP回收控制措施

  NMP回收工艺的原理:将涂布车间涂布机内浑发的NMP气体用抽风机抽走,通过管道进入NMP回收设备内,利用冷却水和冷冻水盘管使得NMP从空气中冷凝出来(冷却温度约5℃),然后通过收集提纯达到回收目的。

  NMP回收处理工艺流程见下图:

  NMP回收处理工艺流程.png

  锂离子电池生产过程中涂布机排出废气中的NMP有较高温度,前段利用水气,气气换热等对废气进行降温冷凝回收绝大部分NMP,残余尾气进入后段处理系统,处理后达标排放。

  工艺流程:废气降温后,采用工艺水将塔内填料润湿,304不锈钢填料有较大的比表面积,废气与工艺水在填料上充分接触融合降到底部完成一次回收,废气不断送入随着融合循环次数的增加,NMP废液浓度不断升高,最终达到设定浓度(≥80%)排入储液罐中;部分尾气送入二级吸收塔中用低浓度工艺水再次将低浓度尾气洗气最终达标排放。


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