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AOA电竞官网:深度解读锂电池制造设备

发布时间:2024-04-10 12:50:47 来源:AOA官方入口 作者:aoa全站入口

  锂电设备是锂电池生产的基础,锂电池制作工艺复杂,整个生产过程涉及30多道工序,需多种设备配套完成,因此,锂电设备的工艺水平及其运行情况直接影响锂电池的性能及质量,是决定锂电池品质的关键因素之一。

  从具体生产环节来看,锂电池的生产可分电芯制造和模组/PACK 两大环节,其中电芯制造包含极片制作(前段)、电芯装配(中段)和电芯激活测试(后段)三大工序:前道工序即正极、负极的制作;中道工序将电解液注入锂电池;后道工序为激活检测组装,即密封、质检、分选阶段。根据在锂电池生产环节中应用情况,锂电设备可分为前道设备、中道设备、后道设备。

  在锂电池生产线%左右,中道和后道工序大致各占30%。在单个设备成本投入方面,涂布机占30%左右,卷绕机占20%左右,活化分容检测类设备占20%左右。

  搅拌是将活性材料(钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料 NCM 或 NCA 等)、溶剂等通过真空搅拌机搅拌成浆状,力求均匀、控制粉尘,对混料步骤、搅拌时间等有较高要求。

  涂布是搅拌好的浆料以均匀的速度抹到铜箔(负极载体)、铝箔(正极载体)上,以制作正极、负极。涂布需要保证正极、负极的厚度与重量一致,没有粉尘、杂物等混入。

  烘干的目的是将溶剂挥发出来。辊压是通过辊,将附着有正极、负极材料的极片进行碾压,让涂覆的正负极材料与铜箔(正负极载体)更加紧密,提升电池的实际能量密度,也可进一步保证正极、负极的厚度一致。

  分切包括极耳模切与分条。极耳模切是将压好的极片切割成导电极耳。导电极耳是将正负极引出来的金属导电体,通俗称为电池正负两极的耳朵,是电池充放电的接触点。分条是将压好的极片根据电池的尺寸进行切割。如特斯拉使用的 18650 电池,是指直径为 18mm、长度为65mm 的电池,最后的“0”代表圆柱形电池,则在生产 18650 电池时,应按照最终电池的尺寸,分切极片大小。极耳与正负极分切好后,还要进行点焊,将极耳焊接到正负极上。分切要求管控毛刺,由于锂电池的内部构造十分精密,正极、负极若毛刺过长,可能会扎穿隔膜,导致正负极直接接触(即短路)。

  前道设备被运用在电极制作的各项生产工艺中,包括用于搅拌的真空搅拌机、用于涂布的涂布机、用于辊压的辊压机和用于分切的全自动分切机等。

  涂布设备具有较高的技术壁垒,为前段价值量最高的设备,占锂电设备价值量15-18%。随着当代各类新型材料的发展、机械加工精度的提高、电气及自动化程度的普及、各种在线检测仪器的应用以及计算机在线控制等技术的发展,极大促进了涂布机技术的革新。同时下业技术不断进步,市场对涂布机的高速度、高均匀度、高稳定性、高生产效率、智能化要求不断提升,国内涂布机企业需要尽快提升技术工艺,攻克高精密涂布机领域, 并与国际技术慢慢接轨,扩大国内涂布机行业在高端市场的占有率。

  涂布机按照结构类型可划分为刮刀式、转移式和挤压式,挤压涂布应用于3C 、动力及储能电池。刮刀式主要应用于实验室,转移式涂布主要应用于3C电池的生产,挤压涂布主要应用于高端 3C 电池、动力电池、储能电池。其中,挤压涂布是这三种中最先进的技术,涂布速度快、精度高、面密度均匀,近年来由于动力电池生产需求高涨,挤压式涂布市场规模不断扩大,预计将保持较高增长率。

  卷绕与叠片的目的均是将制作好的正负极片、隔膜组合起来,是完全相互替代的工艺。卷绕是指以卷绕的方式排列正极片、负极片、隔膜,叠片是将正极、负极、隔膜一层层叠起来。卷绕型工艺应用时间长,技术成熟、速度快、效率高、电芯一致性有保证,但对涂布要求高,且要求极片层有一定的弹性,否则在弯折处易脱落或断裂。叠片尺寸灵活、内阻比卷绕低(如采用同样材料)、内部散热性优良,可制作成各种形状的电池。

  入壳是卷绕或叠片的下一步工艺。锂电池的包装分为两大类,一是以铝塑包装膜作为包装材料的软包电芯,二是金属外壳电芯,一般使用钢壳或铝壳,也有部分特殊用途的电芯采用塑料外壳。软包电芯采用热封装,而金属外壳电芯一般采用焊接(激光焊)。点焊是将极耳与外壳焊接,封装是将铝塑膜预留的用于密封的封头部分加热,使得熔化黏合在一起,再降温以固化黏结。注液将电解液注入到点焊好或封装好的电池中。注液后焊接好盖帽,锂电池电芯到此步已制作完成。

  中道设备有一定的个性化需要,并且对精度、效率、一致性要求非常高。根据GGII数据,2022年中国锂电卷绕设备市场规模为125亿元,同比增长56.3%。市场集中度较高,销售额CR3达到60%-70%,先导智能是国内卷绕机龙头,其高速卷绕技术领先全球。卷绕机在国内发展了已有10年,通过近两三年运动控制技术的介入,有了很大的提升。比如,通过数学建模设计卷针的形状,再通过程序计算得到卷针的轨迹来实现变转速曲线。这样曲线的细节可以很清晰的体现出来,未来定向曲线优化,实现扁平卷针的高速变转速卷绕将更容易实现。

  国家补贴政策对续航里程、电池能量密度要求越来越高,所以能量比更高的软包电池将逐渐受到市场的青睐,应用于软包电池制作的叠片机受到了更多的关注。2022年中国锂电叠片设备市场规模达到47亿元,同比增长68%;前五大厂商市场占有率合计达59%,市场集中度进一步上升,叠片机在未来具有广阔的发展前景。

  从二者的对比来说,卷绕机在效率和成本上占据优势。从效率上分析,卷绕机只要开始卷了,工艺是很快的,大约20秒完成。但叠片是一片一片往上放同时Z型摇摆,需要64秒,二者效率相差2.2倍。从成本上分析,卷绕机一般300-400万/台,12ppm方形需要3台卷绕机,对应1000万元成本;叠片机600-800万/台,12ppm软包需要4台叠片机,对应2400-3200万元成本,二者成本相差3倍。

  化成是给予锂离子电池的第一次充放电、形成稳定 SEI 膜的过程,使电池具有充放电能力。组装好的电池,第一次充放电时,会在负极石墨上形成一层 SEI(solid electrolyte interface)膜,该层 SEI 膜是负极嵌入锂离子的结构。而锂离子电池充放电的原理即为锂离子在正负极的嵌入与脱离,因此,SEI 膜的形成对锂离子电池的性能而言至关重要。

  分容为将生产好的锂离子电池根据不同的容量,挑选出来,以保证组成电池包的电池其电容量具备一致性。分容包括将化成好的电池进行恒流充电、恒压充电、静止、恒流放电等,测试多次循环充放电后的容量和电压情况。由于分容与化成原理相近,故化成、分容多在一个设备内完成。

  后道设备主要由充放电设备、电压/内阻测试设备、分选设备、PACK生产线、自动化物流设备及相应的系统整体控制软件等组成。锂电池的关键参数(电池容量)是在化成中活化而形成,在分容中测定,因此充放电设备是后处理系统中的关键设备。不仅数量庞大而且直接关系到电池产品的合格率和批次的一致性。充放电设备的小工作单位是“通道”,一个通道可以为一个电芯进行充放电,多个通道组成一个单元(BOX),若干个BOX组合在一起(为合理利用空间),就构成了一台充放电设备。

  日本、韩国等锂电池制造设备行业起步较早,技术较成熟。1990年,日本皆藤公司成功研发出第一台方形锂电池卷绕机;1999 年,韩国 KOEM(高丽机电)公司开发出锂一次电池卷绕机和锂一次电池装配机。在随后的锂电池设备发展过程中,日、韩的技术水平一直处于较为领先地位。国内锂电企业起步晚,但进步快。1998 年,我国锂电池设备制造开始起步,锂电生产线关键设备依赖进口。进口设备虽然自动化程度较高、稳定性较好,但价格昂贵、操作系统复杂、售后服务不便。这一时期,国内锂电池生产以手工生产为主,生产效率低下,质量一致性较差。2003 年,我国开始批量生产一些简单的锂电设备,连续式极片分条机于当年在国内面市。2004 年,国内研发成功双面间隙式涂布机,各研究所也相继开发出转移式锂电极片涂布机等设备。2006 年,国内已出现一批锂电池专业设备制造企业,但此时设备的技术水平还相对较弱,自动化程度不高,大部分电池厂商仍以手工生产为主,部分电池厂商因批量生产需求仍需进口国外设备。

  近年来,随着我国锂电池行业市场需求快速增长,以及锂电池生产企业大规模扩张产能的需。


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