關(guān)于動力電池的技術(shù)路線如何選擇,圍繞圓柱、軟包和方殼的討論一直在持續(xù);與此類似的是,在制造層面,鋰電池中段電芯裝配工序中,疊片技術(shù)和卷繞技術(shù)也處于長期競爭。
這兩種方案是圍繞電芯的空間利用率、電芯壽命、電芯制造效率和制造投資這幾個關(guān)鍵技術(shù)點的不斷博弈。
●卷繞工藝
通過控制極片的速度、 張力、尺寸、偏差等因素,將分條后尺寸相匹配的極片及隔膜、終止膠帶等卷成極芯的一種生產(chǎn)工藝。
●疊片工藝
是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(chǎn)工藝。
如下圖所示,就電池形態(tài)來看:軟包和刀片電池是圍繞疊片工藝來設(shè)計和生產(chǎn)的;方形電池既可以使用疊片工藝也能夠采用卷繞工藝,而目前中國的主要技術(shù)方向還是圍繞卷繞為主;圓柱電池作為一種成熟的產(chǎn)品形態(tài),一直采用卷繞工藝。
▲圖1.卷繞和堆疊的方案
從中國的技術(shù)長期發(fā)展方向來看,隨著疊片技術(shù)的進步,大量電池企業(yè)開始從原有的卷繞工藝逐漸進入疊片時代。這里我們可以看一看蜂巢能源最近發(fā)布的一些信息。
Part 1
蜂巢的疊片技術(shù)演進
我們首先來看看,疊片技術(shù)帶來的好處。
從最終電池產(chǎn)品來看,疊片形成的電池產(chǎn)品,能量密度更高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、安全性更高和壽命更長。
▲圖2.疊片的優(yōu)勢
●能量密度更高
從電芯內(nèi)部來看,卷繞工藝的卷繞拐角部有弧度,空間利用率低一些,疊片工藝能夠充分利用電池空間,在相同體積的電芯設(shè)計下形成的電芯能量密度更高。
●結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定
電池使用過程中,鋰離子的嵌入會使得正負(fù)極片均會有膨脹,卷繞拐角處內(nèi)外層內(nèi)應(yīng)力不一致,卷繞的電池會發(fā)生波浪狀變形,進而致電池的界面變差,電流分布不均,加速電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。
疊片工藝在電池的循環(huán)往復(fù)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
卷繞下兩端極片折彎后涂層材料發(fā)生較大彎曲變形,折彎處容 易發(fā)生掉粉、毛刺問題。極片和隔膜所受拉力容易出現(xiàn)不均勻、產(chǎn)生褶皺,極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會導(dǎo)致電芯變形。而疊片電池受力均勻,在這個角度而言,電池安全性更高。
●更長的循環(huán)壽命
疊片電池的極耳數(shù)量較多,電子傳輸距離越短,電阻越小,故疊片的電池內(nèi)阻能夠降低,電池產(chǎn)熱小。而卷繞容易發(fā)生變形、膨脹等問題,影響電池衰減性能。
在國內(nèi)做方殼電池的企業(yè)中,使用疊片工藝,蜂巢能源是第一家。2018年進入行業(yè),蜂巢能源就一直倡導(dǎo)動力電池“從'卷時代'邁入'疊時代'”;2019年蜂巢能源首次亮相就展示其內(nèi)部代號為“L600”的長疊片電芯,一期產(chǎn)線已提升至單工位0.6秒/片的生產(chǎn)效率;在當(dāng)時的規(guī)劃中,疊片的速度路徑是0.6秒/片到0.45秒。蜂巢能源正式投產(chǎn)的二期,建設(shè)了首條“短刀”電池量產(chǎn)線,蜂巢Z字形疊片機,已經(jīng)實現(xiàn)了0.45秒/片。
在目前這個時間節(jié)點,蜂巢自主研發(fā)的高速疊片技術(shù)3.0,采用極片熱復(fù)合與多片疊融合技術(shù),通過技術(shù)創(chuàng)新在效率方面實現(xiàn)了顛覆性的突破,實現(xiàn)了0.125秒/片的疊片速度。這就使得整體的中段工藝得到了簡化,單位占地節(jié)省40%以上。同時,效率和精確性的提高,也解決了隔膜褶皺、對齊度不良等缺陷控制與監(jiān)測痛點問題。
▲圖3.疊片技術(shù)的規(guī)劃和實現(xiàn)
Part 2
高速疊片和短刀方案的搭配
疊片工藝和短刀方案是如何搭配起來,這個也需要來追溯一下。
蜂巢能源的短刀電池L600疊片磷酸鐵鋰電芯,長度約600mm,已在蜂巢能源常州金壇工廠正式量產(chǎn)下線——單體能量密度達(dá)到175Wh/kg,循環(huán)壽命超過4000次,快充0-80%SOC,充電時間小于45分鐘。這種電池以前因工藝原因,在生產(chǎn)過程中一直受疊片效率相對較低的影響。但通過設(shè)備集成——在疊片設(shè)備上多片同時切、同時疊,實現(xiàn)了更簡單機構(gòu)的高效產(chǎn)出,在單機設(shè)備成本幾乎不變的情況下,效率提升超過200%。這就使得短刀電池的設(shè)計和高速疊片的配合實現(xiàn)了很好的“化學(xué)反應(yīng)”。
▲圖4.短刀電池序列
目前蜂巢能源是全部轉(zhuǎn)向了“短刀”電池序列,在這方面能看到的好處主要體現(xiàn)在設(shè)計層面,比如體積能量密度高、可以作為結(jié)構(gòu)件做CTP,降低成本,易于散熱,安全性好。
而從“短刀”的適配性,也確實通過L300、L400、L500和L600,存在多個不同的尺寸長度合理,能夠適配80%以上的乘用車,還能在不同應(yīng)用環(huán)境下使用。在之前,主要的瓶頸在大規(guī)模生產(chǎn)階段。通過這次工藝的導(dǎo)入,生產(chǎn)工藝也更好實現(xiàn),做到更高的良品率。這是通過集成化的技術(shù)來實現(xiàn)的,集成了極片放卷、裁切、疊片CCD在線監(jiān)測、熱壓功能,縮短了極片卷料到疊片之間的片料轉(zhuǎn)運,降低極片裁切到疊片間的加工精度差,大幅提升了良品率。
在這里,我們也在思考,短刀為什么與疊片技術(shù)的搭配堪稱完美呢?
我們能看到,刀片的設(shè)計不太適用于卷繞工藝。從實踐來看,卷繞的長度不能超過300mm。目前量產(chǎn)的卷繞工藝支持的電芯長度在280mm-300mm,而這個尺寸形態(tài)目前是方殼的主要覆蓋范圍。
通過工藝設(shè)計,蜂巢的疊片工序的對齊度精度是±0.3mm,而疊片速度0.125秒。短刀電池的技術(shù)優(yōu)勢和制造成本優(yōu)勢更加明顯,高性能的短刀電池與高效能的高速疊片技術(shù)結(jié)合,這套解決方案就形成了一個閉環(huán)。
Part 3
技術(shù)方案展望
圓柱、方殼、軟包的發(fā)展方向,還是不同的企業(yè)根據(jù)自身的情況進行不同的選擇。各自有優(yōu)勢。
從目前的技術(shù)場景來看:
●圓柱:4680標(biāo)準(zhǔn)化,卷繞,單個電芯的制造速度再提高,使用場景拓寬。
●軟包:往短刀和長刀過渡,使用疊片是具有更大優(yōu)勢的。
●方殼:如果保持現(xiàn)有的尺寸,繼續(xù)使用卷繞是合理的選項;但發(fā)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。
▲圖5.不同的技術(shù)路線的選擇
綜合制造效率和成品率來評估兩種技術(shù)路線:
●潛力最大的是卷繞大圓柱,最主要的圍繞成熟工藝開始導(dǎo)入干電極的工藝,我們有很大的想象空間。
●發(fā)展最快是疊片:隨著蜂巢能源在疊片技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及中航、億瑋鋰能等動力電池企業(yè)的持續(xù)跟進,中國的電池企業(yè)都朝著超級疊片+刀片電池方案開始設(shè)計,這塊的潛力最大。
● 發(fā)展走向平穩(wěn)是卷繞:方殼卷繞保持現(xiàn)狀,我們也看到了在原有的產(chǎn)能建設(shè)方面,這條路線是最大的。
小結(jié):電池企業(yè)圍繞工藝選擇要做取舍,但是走勢越來越清晰,隨著技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展,動力電池TWh大規(guī)模制造時代是每個電池企業(yè)不可回避的點,誰能做好這點,就能在動力電池成為大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品階段找到自己的立足根本。
審核編輯 :李倩
-
鋰電池
+關(guān)注
關(guān)注
260文章
8098瀏覽量
169943 -
動力電池
+關(guān)注
關(guān)注
113文章
4533瀏覽量
77612 -
電芯
+關(guān)注
關(guān)注
14文章
723瀏覽量
25852
原文標(biāo)題:蜂巢能源高速疊片技術(shù)3.0,0.125秒!
文章出處:【微信號:QCDZSJ,微信公眾號:汽車電子設(shè)計】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論