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鋰離子電池制造工藝

時間:2022-08-09 13:54:53來源:鉅大LARGE

導(dǎo)語:?鋰電池的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜,主要生產(chǎn)工藝流程主要涵蓋電極制作的攪拌涂布階段(前段)、電芯合成的卷繞注液階段(中段),以及化成封裝的包裝檢測階段(后段),價值量(采購金額)占比約為(35~40%):(30~35)%:(30~35)%。

  據(jù)涂布在線了解,差異主要來自于設(shè)備供應(yīng)商不同、進(jìn)口/國產(chǎn)比例差異等,工藝流程基本一致,價值量占比有偏差但總體符合該比例。

  鋰電生產(chǎn)前段工序?qū)?yīng)的鋰電設(shè)備主要包括真空攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)等;中段工序主要包括模切機(jī)、卷繞機(jī)、疊片機(jī)、注液機(jī)等;后段工序則包括化成機(jī)、分容檢測設(shè)備、過程倉儲物流自動化等。除此之外,電池組的生產(chǎn)還需要Pack自動化設(shè)備。

  鋰電前段生產(chǎn)工藝:極片制造關(guān)系電池核心性能

  鋰電池前端工藝的結(jié)果是將鋰電池正負(fù)極片制備完成,其第一道工序是攪拌,即將正、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑,通過真空攪拌機(jī)攪拌成漿狀。配料的攪拌是鋰電后續(xù)工藝的基礎(chǔ),高質(zhì)量攪拌是后續(xù)涂布、輥壓工藝高質(zhì)量完成的基礎(chǔ)。

  涂布和輥壓工藝之后是分切,即對涂布進(jìn)行分切工藝處理。如若分切過程中產(chǎn)生毛刺則后續(xù)裝配、注電解液等程序、甚至是電池使用過程中出現(xiàn)安全隱患。因此鋰電生產(chǎn)過程中的前端設(shè)備,如攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分條機(jī)等是電池制造的核心機(jī)器,關(guān)乎整條生產(chǎn)線的質(zhì)量,因此前端設(shè)備的價值量(金額)占整條鋰電自動化生產(chǎn)線的比例最高,約35%。

  鋰電中段工藝流程:效率先行,卷繞走在疊片之前

  鋰電池制造過程中,中段工藝主要是完成電池的成型,主要工藝流程包括制片、極片卷繞、模切、電芯卷繞成型和疊片成型等,是當(dāng)前國內(nèi)設(shè)備廠商競爭比較激烈的一個領(lǐng)域,占鋰電池生產(chǎn)線價值量約30%。

  目前動力鋰電池的電芯制造工藝主要有卷繞和疊片兩種,對應(yīng)的電池結(jié)構(gòu)形式主要為圓柱與方形、軟包三種,圓柱和方形電池主要采用卷繞工藝生產(chǎn),軟包電池則主要采用疊片工藝。圓柱主要以18650和26650為代表(Tesla單獨(dú)開發(fā)了21700電池、正在全行業(yè)推廣),方形與軟包的區(qū)別在于外殼分別采用硬鋁殼和鋁塑膜兩種,其中軟包主要以疊片工藝為主,鋁殼則以卷繞工藝為主。

  據(jù)涂布在線了解,軟包結(jié)構(gòu)形式主要面向中高端數(shù)碼市場,單位產(chǎn)品的利潤率較高,在同等產(chǎn)能條件下,相對利潤高于鋁殼電池。由于鋁殼電池易形成規(guī)模效應(yīng),產(chǎn)品合格率及成本易于控制,目前二者在各自市場領(lǐng)域均有可觀的利潤,在可以預(yù)見的未來,二者都很難被徹底取代。

  由于卷繞工藝可以通過轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電芯的高速生產(chǎn),而疊片技術(shù)所能提高的速度有限,因此目前國內(nèi)動力鋰電池主要采用卷繞工藝為主,因此卷繞機(jī)的出貨量目前大于疊片機(jī)。

  卷繞和疊片生產(chǎn)對應(yīng)的前道工序為極片的制片和模切。制片包括對分切后的極片/極耳焊接、極片除塵、貼保護(hù)膠紙、極耳包膠和收卷或定長裁斷,其中收卷極片用于后續(xù)的全自動卷繞,定長裁斷極片用于后續(xù)的半自動卷繞;沖切極片是將分切后的極片卷繞沖切成型,用于后續(xù)的疊片工藝。

  在鋰電封裝焊接方面,聯(lián)贏、大族、光大的主流激光技術(shù)集成應(yīng)用廠家均有所涉及,能夠滿足需求、無需進(jìn)口。

  鋰電后段工藝流程:分容化成是核心環(huán)節(jié)

  鋰電后段生產(chǎn)工藝主要為分容、化成、檢測和包裝入庫四道工序,占生產(chǎn)線價值量約35%?;珊头秩葑鳛楹蠖喂に囍凶钪饕h(huán)節(jié),對成型的電池進(jìn)行激活檢測,由于電池的充放電測試周期長,因此設(shè)備的價值量最高。化成工藝的主要作用在于將注液封裝后的電芯充電進(jìn)行活化,分容工藝則是在電池活化后測試電池容量及其他電性能參數(shù)并進(jìn)行分級?;珊头秩莘謩e由化成機(jī)和分容機(jī)通常由自動化分容化成系統(tǒng)完成。

  鋰電Pack工藝:看似簡單但需要與系統(tǒng)性設(shè)計結(jié)合

  動力電池組系統(tǒng)是將眾多單個的電芯通過串、并聯(lián)的方式連接起來的電池組,綜合了動力和熱管理等電池硬件系統(tǒng)。Pack是動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計應(yīng)用的關(guān)鍵,是連接上游電芯生產(chǎn)和下游整車的應(yīng)用核心環(huán)節(jié),通常設(shè)計需求由電芯廠或汽車廠提出,通常由電池廠、汽車廠或者第三方Pack廠完成。

  鋰電池Pack產(chǎn)線相對簡單,核心工序包括上料、支架粘貼、電焊、檢測等工藝,核心設(shè)備為激光焊接機(jī)以及各類粘貼檢測設(shè)備。據(jù)涂布在線了解,目前各大鋰電設(shè)備廠商在此領(lǐng)域的自動化集成布局較少,而大族激光、聯(lián)贏激光等激光設(shè)備廠商由于在激光領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢,在Pack設(shè)備領(lǐng)域占有率較高。

  磷酸鐵鋰和三元:能量密度繞不開的話題,不同材料需要全套設(shè)備投資

  目前國內(nèi)主流動力鋰電池的正極材料分為磷酸鐵鋰和三元兩大種類。其中磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料,其循環(huán)壽命通常在2000次以上,再加上由于產(chǎn)業(yè)成熟而帶來的價格和技術(shù)門檻的下降,使得很多廠商出于各種因素考慮都會采用磷酸鐵鋰電池。然而磷酸鐵鋰電池在能量密度方面則存在明顯的缺陷,目前磷酸鐵鋰電池龍頭比亞迪磷酸鐵鋰單體電芯能量密度為150Wh,2017年底比亞迪預(yù)計將能量密度提升到160Wh,理論上磷酸鐵鋰能量密度很難超過200Gwh。

  三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰的鋰電池,鎳鈷錳的實(shí)際比例可以根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。由于三元鋰電池具備更高的能量密度(目前寧德時代等動力電池一流大廠三元鋰電池能量密度普遍能達(dá)到200Wh/kg-220Wh/kg,業(yè)內(nèi)預(yù)計到2020年三元電池單體電芯能量密度將達(dá)到300Wh/kg的水平),乘用車市場開始轉(zhuǎn)向三元鋰電池,而在安全性要求更高的客車上,磷酸鐵鋰則更受青睞。隨著全電動乘用車的發(fā)展,三元鋰電池正在占據(jù)越來越重要的位置。

  兩種材料的能量密度和成本有差異,不同的汽車、不同的車企有不同的選擇。據(jù)涂布在線了解,二者在生產(chǎn)工藝流程上大致相同,區(qū)別主要體現(xiàn)在材料的使用和配比上不同、具體工藝參數(shù)差異較大,設(shè)備無法共線生產(chǎn),且單純改造切換產(chǎn)能的成本較高(三元材料對真空除濕等要求嚴(yán)格,之前的磷酸鐵鋰生產(chǎn)線基本沒有除濕要求),因此多家電芯廠在產(chǎn)能規(guī)劃中會同時布局、分別采購設(shè)備。


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