新能源行業(yè)

　　切疊一體機(jī)設(shè)備科普

　　·背景·

　　鋰電設(shè)備按照不同工藝流程可分為前段設(shè)備、中段設(shè)備、后段設(shè)備，前段、中段、后段設(shè)備的價(jià)值占比約為 4：3：3 ，其中中段工序最核心的環(huán)節(jié)便是卷繞/疊片工序，在整個中段工藝中價(jià)值量占比約為 70 %;近年來在鋰電池需求及擴(kuò)產(chǎn)步伐高速增長的帶動下，中段設(shè)備的市場規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大， GGII 預(yù)計(jì)到 2025 年我國鋰電池中段市場規(guī)模將達(dá) 415 億元。

　　鋰電設(shè)備工藝流程介紹

　　鋰電設(shè)備的定義： 鋰電設(shè)備是將正負(fù)極材料、隔膜材料、電解液等原料通過有序工藝，進(jìn)行制造生產(chǎn)的工藝裝備，鋰電設(shè)備對鋰電池性能和成本有重大影響，是決定因素之一。按照不同工藝流程可將鋰電設(shè)備分為前段設(shè)備、中段設(shè)備、后段設(shè)備，在鋰電產(chǎn)線中， 前段、中段、后段設(shè)備的價(jià)值占比約為 4：3：3 。

　　前段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成(正、負(fù))極片的制造： 前段工序主要流程有：攪拌、涂布、輥壓、分切、制片、模切，所涉及的設(shè)備主要包括：攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分條機(jī)、制片機(jī)、模切機(jī)等。

　　中段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成電芯的制造，不同類型鋰電池的中段工序技術(shù)路線、產(chǎn)線設(shè)備存在差異： 中段工序的本質(zhì)是裝配工序，具體來說是將前段工序制成的(正、負(fù))極片，與隔膜、電解質(zhì)進(jìn)行有序裝配，主要包括卷繞或疊片、電芯預(yù)封裝、注電解液等工序，對精度、效率、一致性要求很高，所涉及的設(shè)備主要包括：疊片 卷繞機(jī)、注液機(jī)、封裝設(shè)備等。

　　后段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成化成封裝： 截至中段工序，鋰電池的電芯功能結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，后段工序的意義在于將其激活，經(jīng)過檢測、分選、組裝，形成使用安全、性能穩(wěn)定的鋰電池成品。后段工序主要流程有：化成、分容、檢測、分選等，所涉及的設(shè)備主要包括：充放電機(jī)、檢測設(shè)備等。

圖：鋰離子電池的一般生產(chǎn)工藝過程

　　電芯制作工藝 卷繞工藝 vs 疊片工藝

　　電芯制作工藝可分為疊片和卷繞兩種： 疊片工藝是將正負(fù)極極片、隔膜裁成規(guī)定尺寸的大小，隨后將正極極片、隔膜、負(fù)極極片疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來組成一個大電芯;卷繞工藝是將分條后的極片固定在卷針上隨著卷針轉(zhuǎn)動將正極極片、負(fù)極極片以及隔膜卷成電芯的工藝方式，在這里極片的大小、卷繞的圈數(shù)等參數(shù)根據(jù)電池設(shè)計(jì)容量來進(jìn)行確定。

　　在動力鋰電領(lǐng)域，產(chǎn)能擴(kuò)張規(guī)模大且要求交付速度快，電池質(zhì)量、能量密度和安全性等要求不斷提升;鋰電池企業(yè)通過整線化采購和生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)更迭來實(shí)現(xiàn)快速交付、提高能量密度和電池良率，目前鋰電設(shè)備整線化正成為行業(yè)發(fā)展趨勢。在鋰電池生產(chǎn)技術(shù)迭代方面，電芯裝配段的疊片工藝在能量密度、安全性和充放電效率方面優(yōu)于卷繞工藝，順應(yīng)電芯能量密度比提升趨勢，疊片機(jī)的市場空間或?qū)⒂兴黾印?/p>

　　在消費(fèi)鋰電領(lǐng)域，行業(yè)頭部企業(yè)主要采用軟包、圓柱和方形電池方案，三種形態(tài)電池技術(shù)所對應(yīng)的加工工藝不完全一樣， 目前軟包電池多用疊片工藝，圓柱電池多用卷繞工藝，方形電池以卷繞工藝為主，也可以用疊片工藝。卷繞工藝包括極片制片和電芯卷繞兩道環(huán)節(jié)，需使用制片機(jī)和卷繞機(jī);而疊片工藝包括極片模切和電芯疊片兩道環(huán)節(jié)，需使用到模切機(jī)和疊片機(jī)。軟包電池質(zhì)量輕、安全性和能量密度高，逐步替代圓柱電池和方形電池成為行業(yè)主流，同時軟包電池出貨量的上升也將帶動模切機(jī)和疊片機(jī)的銷售增加。

圖：卷繞工藝與疊片工藝電芯對比示意圖

　　電芯制作設(shè)備 卷繞機(jī) vs 疊片機(jī)

　　卷繞機(jī)的定義： 鋰離子電池制造的卷繞工序是將前述制片工序中制作的極片制成鋰離子電池的裸電芯。卷繞電芯是指正極、負(fù)極極片料卷或長片間夾有一層隔膜，一起卷繞成一個圓柱體或棱形體的電池芯體，是完成鋰離子電池制造的關(guān)鍵工序之一。卷繞機(jī)是移動通訊類中小型號鋰離子電池生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備，卷芯制造設(shè)備為適應(yīng)圓柱、鋁殼、軟包等不同類型電芯制作工藝，工序復(fù)雜、控制嚴(yán)格。

　　疊片機(jī)的定義： 鋰離子電池制造的疊片工序是將模切完成的正、負(fù)極片與隔膜間隔堆疊成電池的裸電芯。疊片主要有 Z 字型疊片和制袋式疊片兩種形式， Z 字型疊片即將模切完成的正、負(fù)極片直接與隔膜間隔堆疊形成電芯;制袋式疊片是在疊片前增加制袋工序，將模切完成的正、負(fù)極片分別裝入隔膜袋內(nèi)，疊片時僅將正、負(fù)極片袋間隔堆疊即可形成電芯。疊片機(jī)是動力及儲能類大中型號鋰離子電池生產(chǎn)關(guān)鍵工序設(shè)備， 疊片電芯制作設(shè)備工序復(fù)雜、控制嚴(yán)格，存在安全因素多，曾一度成為鋰離子電池制造的瓶頸。

圖：卷繞機(jī)工作流程 圖：疊片機(jī)工作流程

　　“疊時代”以來廣受青睞

　　1、疊片工藝迎合市場需求，“疊時代”以來廣受青睞

　　“疊時代”以來疊片工藝廣受青睞：隨著新能源汽車的大規(guī)模推廣和普及，人們對新能源汽車的多樣化需求也進(jìn)一步提升，如：安全性能更高、續(xù)航里程更長、充電速度更快;于是，刀片電池(長電芯)隨之進(jìn)入我們的視野，但“刀片電池”電芯結(jié)構(gòu)變得狹長，卷繞工藝已無法滿足新一代電池的生產(chǎn)要求。

　　疊片工藝采用多極片并聯(lián)的方式使得電池內(nèi)阻更小，充電效率更高;且在充放電循環(huán)中產(chǎn)生熱量也相對較小、較均勻，電池安全性更高;此外，疊片工藝使得電池內(nèi)部空間利用更充分，電池能量密度相對更大。因此，疊片工藝深受鋰電池制造企業(yè)的青睞。

　　2、卷繞機(jī)關(guān)鍵影響因素 張力控制、自動糾偏技術(shù)、卷繞速度張力控制是影響卷繞機(jī)先進(jìn)程度的核心技術(shù)：在整個卷繞過程中，為了保證電芯組裝成的電池具有高一致性，需要尤其注意卷繞的張力控制。張力波動導(dǎo)致的松緊差異會使得卷繞出的電芯產(chǎn)生不均勻的拉伸形變，使電芯材料分層或出現(xiàn) S 型褶皺，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的一致性，隔膜、極片表面不平整起的褶皺會增大電池內(nèi)阻。卷繞張力控制是一個高速的動態(tài)平衡過程，卷繞機(jī)在電氣和軟件控制方面要求很高，要求伺服控制系統(tǒng)快速反應(yīng)，軟件的編程也需要獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)水平。對于方形鋰電池的卷繞，需要保持卷繞的線速度不變，角速度需要自動調(diào)整，因此方形鋰電池卷繞的張力控制對技術(shù)要求更高。當(dāng)前國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)能做到圓柱電池張力波動控制在 5% 以下，方形電池張力波動控制在 10% 以下。

　　卷繞機(jī)的自動糾偏技術(shù)和卷繞速度也比較關(guān)鍵： 糾偏系統(tǒng)能保證電池卷繞過程中極片隔膜卷繞整齊，正極 負(fù)極隔膜之間相對位置準(zhǔn)確，目前行業(yè)通常要求卷后正負(fù)極片或隔膜的上下偏差均小于 0.5mm ，超過這一數(shù)值將對電池形變產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)的圓柱電芯能達(dá)到 18 米/ 秒以上的高速卷繞速度，方形電芯由于需要保證線速度恒定，因此變角速度卷繞較慢，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)能達(dá)到 0.8 米 /秒以上。

　　3、疊片機(jī)多用于軟包電池，與國外設(shè)備仍有較大差距疊片機(jī)多用于軟包電芯生產(chǎn)，能實(shí)現(xiàn)高于圓柱和方形電池的性能和安全性： 疊片工藝生產(chǎn)出的電芯優(yōu)點(diǎn)在于：由于相當(dāng)于多個小極片并聯(lián)，內(nèi)阻較低，放電平臺高;電芯極片隔膜之間受力面積一致，無明顯應(yīng)力集中點(diǎn);內(nèi)部空間利用較為充分，體積比容量和能量密度更高;疊片工藝相當(dāng)于多極片并聯(lián)，更容易在短時間內(nèi)完成大電流放電，倍率性能佳。但同時疊片工藝也存在操作要求高、生產(chǎn)控制繁瑣、次品率高等缺點(diǎn)， 目前疊片機(jī)尚未在電池行業(yè)普遍應(yīng)用，主要瓶頸就在于疊片與卷繞效率的差異，未來隨著疊片技術(shù)及效率的不斷提升，電池廠商對疊片工藝應(yīng)用的市場空間待釋放。

　　目前國產(chǎn)動力電池用疊片機(jī)的效率相比國外日韓設(shè)備差距較大：國產(chǎn)設(shè)備以雙工位居多，效率普遍在 0.5-0.8 秒/片，而進(jìn)口疊片機(jī)效率為 0.17- 0.2 秒/ 片。國內(nèi)外設(shè)備差異的原因主要主要體現(xiàn)在：

　　1 )國外日韓設(shè)備在鋰電方面投入較早，在專利和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)下，選用的疊片工藝跟國內(nèi)不同;國外疊片工藝是先將負(fù)極與隔膜裁切成單元進(jìn)行疊片，再跟正極用卷繞方式制成電芯;國內(nèi)主要用熱復(fù)合和 Z 字型疊片工藝，相對來說較為復(fù)雜并且對設(shè)備要求高，進(jìn)而生產(chǎn)效率方面受限制。

　　2 )電池型號兼容性。國內(nèi)電池企業(yè)一般要求疊片設(shè)備至少兼容六款型號不同的電池，而國外日韓設(shè)備只專注于一款或兩款電池型號;國內(nèi)設(shè)備相比國外兼容性更強(qiáng)，自然在穩(wěn)定性和稼動率方面就相對差一些。

　　3 )國產(chǎn)設(shè)備注重?fù)屨际袌龇蓊~，關(guān)注性價(jià)比、售后服務(wù)等客戶體驗(yàn)，國外日韓設(shè)備則走高端路線，只服務(wù)特定領(lǐng)域的電池企業(yè)。

　　切疊一體機(jī)成為行業(yè)趨勢

　　在疊片工序，動力電池電芯長薄化趨勢下，卷繞工藝已無法滿足需求，生產(chǎn)工藝向“疊時代”邁進(jìn);一體化設(shè)備作為行業(yè)發(fā)展大趨勢，目前切疊一體機(jī)的應(yīng)用規(guī)模也在持續(xù)上升。

　　TOYO產(chǎn)品大量運(yùn)用于新能源行業(yè)

　　我們在新能源領(lǐng)域可為您提供多種自動化系統(tǒng)集成方案：涂布機(jī)、模切機(jī)、切疊一體機(jī)、注液機(jī)、封裝檢測、模組組裝線等。

　　需要購買、咨詢的客戶歡迎留言哦~~

　　本文內(nèi)容節(jié)選自天風(fēng)證券《機(jī)械設(shè)備 切疊一體機(jī)技術(shù)工藝及路徑探討》。