在動力電池pack的技術路線討論中,到底選用圓柱、軟包還是方殼?爭議一致在持續。類似的技術路線爭議,也出現在電芯的制造可行性層面,對于鋰電池中段電芯的裝配工序,也有兩種技術在相互競爭:疊片工藝和卷繞工藝。
這兩者比的是:電芯的空間利用率、電芯的壽命、電芯制造效率和制造投資規模的大小等等。
Part 1
疊片工藝和卷繞工藝的區別
兩種工藝的不同:
●卷繞工藝
通過控制極片的速度、 張力、尺寸、偏差等要素,將相匹配的極片、隔膜和膠帶等分條后按尺寸卷成極芯。
●疊片
將極片與隔膜交替堆疊在一起,最終完成多層疊片極芯的一種生產工藝。
如上圖所示,從電池形態來看,軟包和刀片電池都是圍繞疊片工藝來設計、生產的;而方形電池,既可以使用疊片工藝,也能夠采用卷繞工藝。
目前中國電池企業的主要技術方向,還是以圍繞卷繞為主;圓柱電池作為一種成熟的產品形態,一直采用的是卷繞工藝。但長期來看,隨著疊片技術的進步,大量的電池企業開始從原有的卷繞工藝進入到疊片時代。
Part 2
疊片技術的優勢
從最終的電池成品看,用疊片工藝制成的電池產品,相比卷繞工藝的成品,能量密度更高、內部結構更穩定、安全性更高、壽命更長。
●能量密度更高
采用卷繞工藝的電芯,由于在卷繞拐角部有弧度,空間利用率低一些;而疊片工藝 能夠充分地利用電池空間。因此,在相同體積的電芯設計下,能量密度也相應提高。
●結構更穩定
電池在使用過程中,由于鋰離子的嵌入,會使得正負極片均會有膨脹。
卷繞的電芯,因為在卷繞拐角處內外層的內應力不一致,電芯會發生波浪狀變形,進而導致電池的界面變差,電流分布不均,電池內部結構會變得越來越不穩定,而且這個過程還會加速。
但疊片工藝的電池,在的循環往復使用中,雖然也會膨脹,但總體來說,每層膨脹力相近,因此可保持界面平整。
●安全性更高
極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會導致電芯變形,確保電芯的形變最小,也是電池安全性的保證。
在卷繞工藝過程中,兩端極片折彎,涂層材料會發生較大彎曲變形;同時,折彎處容易發生掉粉、毛刺等問題;極片和隔膜受到拉力,容易產生褶皺,出現不均勻的問題。疊片電池則由于受力均勻,形變小,電芯的安全性更高。
●更長的循環壽命
循環壽命是電池的關鍵性能之一。
疊片電池的極耳數量較多,電子傳輸距離越短,電阻越小,故疊片電池的內阻能夠降低,電池產熱小。而卷繞則容易發生變形、膨脹等問題,影響電池衰減性能。
Part 3
疊片工藝的劣勢
疊片工藝也存在自己的問題:生產效率低、設備投資額較高、良率低等缺點。
●設備效率低
一般動力電池卷繞的效率為 12PPM,方形卷繞機在極片長度 6000mm 時,效率可達到這個效率;但傳統 Z 字疊片效率僅有 4PPM,效率相差了三倍。
另外,疊片設備占地面積比卷繞機大,這使得效率進一步降低。
●設備投資額高
從單條產線來看,需要的卷繞機數量與每片電芯的長度有關,一般一條產線需要10臺卷繞機,需要投資繞3000萬元左右;
采用疊片工藝,一條產線需要的疊片機數量與電池片數有關,一條產線的需要投資疊片裝備為 6000 萬元,甚至更多。
●良率低
卷繞電池分切方便,合格率高,每個電芯只需要進行正負極一次分切,難度小;而疊片分切繁瑣,每個電池有幾十個小片,容易產生不良品,故疊片的單個電池容易發生斷面等問題。
這里說一下很火的刀片電芯,這種形態天生更適合疊片,這是因為:
刀片電芯長度為 960mm、高度 90 mm,采用疊片工藝生產刀片電池,對齊度可以控制在0.3mm 內,疊片效率為 0.3s/pcs。比如蜂巢能源近期推出的短刀電池,產品全域短刀化,涵蓋從 L300-L600 的全尺寸短刀電池產品,疊片效率為0.125s/pcs。
Part 4
如何選擇技術路線?
圓柱、方殼、軟包的發展方向,還是不同的企業根據自身的情況進行不同的選擇。各自有利弊。
●從目前的技術場景來看
◎圓柱:由于4680電芯的標準化,采用卷繞工藝,單個電芯的制造速度在提高,使用場景也在拓寬
◎軟包:往短刀和長刀過渡,使用疊片是具有更大優勢的
◎方殼:保持現有的尺寸,可以繼續用卷繞的工藝,但發展成方殼疊片過渡尺寸,成為短刀和長刀后,會自然地采用疊片工藝
●從制造效率和成品率來看
◎潛力最大是卷繞的大圓柱電池,這是因為 圍繞成熟工藝開始導入的干電極的工藝,我們有很大的想象空間,更有特斯拉和寶馬在大力推動。
◎發展最快是疊片:隨著比亞迪、億緯鋰能、蜂巢能源和中航鋰電的加入,中國的電池企業都朝著超級疊片+刀片電池方案開始設計,在海外有三星SDI、LG化學、SK甚至松下等有諸多企業在嘗試,這塊的技術發展有很大的想像空間。
◎目前發展路線更平穩的還是卷繞:方殼卷繞已經成為成熟工藝,我們也看到了在原有的產能建設方面,這條路線的走勢也是最強的。
小結:電池企業圍繞工藝的選擇要做取舍,但是走勢越來越清晰,隨著技術創新的發展,動力電池TWh大規模制造時代是每個電池企業不可回避的點,誰能做好這點,就能在動力電池成為大規模標準化產品的階段,找到自己的立足根本。
審核編輯:郭婷
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原文標題:TalK|為什么說電池疊片技術更具潛力?
文章出處:【微信號:QCDZSJ,微信公眾號:汽車電子設計】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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