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    • Part 1、蜂巢的叠片技术演进
    • Part 2、高速叠片和短刀方案的搭配
    • Part 3、技术方案展望
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蜂巢能源高速叠片技术3.0,0.125秒

11/08 08:24 作者:朱玉龙
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关于动力电池的技术路线如何选择,围绕圆柱、软包和方壳的讨论一直在持续;与此类似的是,在制造层面,锂电池中段电芯装配工序中,叠片技术和卷绕技术也处于长期竞争。

这两种方案是围绕电芯的空间利用率、电芯寿命、电芯制造效率和制造投资这几个关键技术点的不断博弈。

● 卷绕工艺

通过控制极片的速度、 张力、尺寸、偏差等因素,将分条后尺寸相匹配的极片及隔膜、终止胶带等卷成极芯的一种生产工艺。

● 叠片工艺

是将极片与隔膜交替堆叠在一起,最终完成多层叠片极芯的一种生产工艺。

如下图所示,就电池形态来看:软包和刀片电池是围绕叠片工艺来设计和生产的;方形电池既可以使用叠片工艺也能够采用卷绕工艺,而目前中国的主要技术方向还是围绕卷绕为主;圆柱电池作为一种成熟的产品形态,一直采用卷绕工艺。

▲图1.卷绕和堆叠的方案

 

从中国的技术长期发展方向来看,随着叠片技术的进步,大量电池企业开始从原有的卷绕工艺逐渐进入叠片时代。这里我们可以看一看蜂巢能源最近发布的一些信息。

Part 1、蜂巢的叠片技术演进

我们首先来看看,叠片技术带来的好处。

从最终电池产品来看,叠片形成的电池产品,能量密度更高、内部结构更稳定、安全性更高和寿命更长。

图2.叠片的优势

 

 能量密度更高

从电芯内部来看,卷绕工艺的卷绕拐角部有弧度,空间利用率低一些,叠片工艺能够充分利用电池空间,在相同体积的电芯设计下形成的电芯能量密度更高。

● 结构更稳定

电池使用过程中,锂离子的嵌入会使得正负极片均会有膨胀,卷绕拐角处内外层内应力不一致,卷绕的电池会发生波浪状变形,进而致电池的界面变差,电流分布不均,加速电池内部结构不稳定。

叠片工艺在电池的循环往复使用中,虽然也会膨胀,但总体来说,每层膨胀力相近,因此可保持界面平整。

● 安全性更高

卷绕下两端极片折弯后涂层材料发生较大弯曲变形,折弯处容 易发生掉粉、毛刺问题。极片和隔膜所受拉力容易出现不均匀、产生褶皱,极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形。而叠片电池受力均匀,在这个角度而言,电池安全性更高。

● 更长的循环寿命

叠片电池的极耳数量较多,电子传输距离越短,电阻越小,故叠片的电池内阻能够降低,电池产热小。而卷绕容易发生变形、膨胀等问题,影响电池衰减性能。

在国内做方壳电池的企业中,使用叠片工艺,蜂巢能源是第一家。2018年进入行业,蜂巢能源就一直倡导动力电池从'卷时代'迈入'叠时代'”;2019年蜂巢能源首次亮相就展示其内部代号为“L600”的长叠片电芯,一期产线已提升至单工位0.6秒/片的生产效率;在当时的规划中,叠片的速度路径是0.6秒/片到0.45秒。蜂巢能源正式投产的二期,建设了首条“短刀”电池量产线,蜂巢Z字形叠片机,已经实现了0.45秒/片。

在目前这个时间节点,蜂巢自主研发的高速叠片技术3.0,采用极片热复合与多片叠融合技术,通过技术创新在效率方面实现了颠覆性的突破,实现了0.125秒/片的叠片速度。这就使得整体的中段工艺得到了简化,单位占地节省40%以上。同时,效率和精确性的提高,也解决了隔膜褶皱、对齐度不良等缺陷控制与监测痛点问题。

图3.叠片技术的规划和实现

 

Part 2、高速叠片和短刀方案的搭配

叠片工艺和短刀方案是如何搭配起来,这个也需要来追溯一下。

蜂巢能源的短刀电池L600叠片磷酸铁锂电芯,长度约600mm,已在蜂巢能源常州金坛工厂正式量产下线——单体能量密度达到175Wh/kg,循环寿命超过4000次,快充0-80%SOC,充电时间小于45分钟。这种电池以前因工艺原因,在生产过程中一直受叠片效率相对较低的影响。但通过设备集成——在叠片设备上多片同时切、同时叠,实现了更简单机构的高效产出,在单机设备成本几乎不变的情况下,效率提升超过200%。这就使得短刀电池的设计和高速叠片的配合实现了很好的“化学反应”。

图4.短刀电池序列

目前蜂巢能源是全部转向了“短刀”电池序列,在这方面能看到的好处主要体现在设计层面,比如体积能量密度高、可以作为结构件做CTP,降低成本,易于散热,安全性好。

而从“短刀”的适配性,也确实通过L300、L400、L500和L600,存在多个不同的尺寸长度合理,能够适配80%以上的乘用车,还能在不同应用环境下使用。在之前,主要的瓶颈在大规模生产阶段。通过这次工艺的导入,生产工艺也更好实现,做到更高的良品率。这是通过集成化的技术来实现的,集成了极片放卷、裁切、叠片CCD在线监测、热压功能,缩短了极片卷料到叠片之间的片料转运,降低极片裁切到叠片间的加工精度差,大幅提升了良品率。

在这里,我们也在思考,短刀为什么与叠片技术的搭配堪称完美呢?

我们能看到,刀片的设计不太适用于卷绕工艺。从实践来看,卷绕的长度不能超过300mm。目前量产的卷绕工艺支持的电芯长度在280mm-300mm,而这个尺寸形态目前是方壳的主要覆盖范围。

通过工艺设计,蜂巢的叠片工序的对齐度精度是±0.3mm,而叠片速度0.125秒。短刀电池的技术优势和制造成本优势更加明显,高性能的短刀电池与高效能的高速叠片技术结合,这套解决方案就形成了一个闭环。

Part 3、技术方案展望

圆柱、方壳、软包的发展方向,还是不同的企业根据自身的情况进行不同的选择。各自有优势。

从目前的技术场景来看:

● 圆柱:4680标准化,卷绕,单个电芯的制造速度再提高,使用场景拓宽。

● 软包:往短刀和长刀过渡,使用叠片是具有更大优势的。

● 方壳:如果保持现有的尺寸,继续使用卷绕是合理的选项;但发展成方壳叠片过渡尺寸,成为短刀和长刀后,会自然地采用叠片工艺。

图5.不同的技术路线的选择

综合制造效率和成品率来评估两种技术路线:

● 潜力最大的是卷绕大圆柱,最主要的围绕成熟工艺开始导入干电极的工艺,我们有很大的想象空间。

● 发展最快是叠片随着蜂巢能源在叠片技术的不断创新以及中航、亿玮锂能等动力电池企业的持续跟进,中国的电池企业都朝着超级叠片+刀片电池方案开始设计,这块的潜力最大。

● 发展走向平稳是卷绕:方壳卷绕保持现状,我们也看到了在原有的产能建设方面,这条路线是最大的。

小结:电池企业围绕工艺选择要做取舍,但是走势越来越清晰,随着技术创新的发展,动力电池TWh大规模制造时代是每个电池企业不可回避的点,谁能做好这点,就能在动力电池成为大规模标准化产品阶段找到自己的立足根本。

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