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新能源行业-切叠一体机设备科普

时间:2022-07-22

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导语:锂电设备按照不同工艺流程可分为前段设备、中段设备、后段设备,前段、中段、后段设备的价值占比约为 4:3:3 ,

  新能源行业

  切叠一体机设备科普

  ·背景·

必威bet体育  锂电设备按照不同工艺流程可分为前段设备、中段设备、后段设备,前段、中段、后段设备的价值占比约为 4:3:3 ,其中中段工序最核心的环节便是卷绕/叠片工序,在整个中段工艺中价值量占比约为 70 %;近年来在锂电池需求及扩产步伐高速增长的带动下,中段设备的市场规模也在持续扩大, GGII 预计到 2025 年我国锂电池中段市场规模将达 415 亿元。

必威bet体育  锂电设备工艺流程介绍

必威bet体育  锂电设备的定义: 锂电设备是将正负极材料、隔膜材料、电解液等原料通过有序工艺,进行制造生产的工艺装备,锂电设备对锂电池性能和成本有重大影响,是决定因素之一。按照不同工艺流程可将锂电设备分为前段设备、中段设备、后段设备,在锂电产线中, 前段、中段、后段设备的价值占比约为 4:3:3 。

  前段工序的生产目标是完成(正、负)极片的制造: 前段工序主要流程有:搅拌、涂布、辊压、分切、制片、模切,所涉及的设备主要包括:搅拌机、涂布机、辊压机、分条机、制片机、模切机等。

必威bet体育  中段工序的生产目标是完成电芯的制造,不同类型锂电池的中段工序技术路线、产线设备存在差异: 中段工序的本质是装配工序,具体来说是将前段工序制成的(正、负)极片,与隔膜、电解质进行有序装配,主要包括卷绕或叠片、电芯预封装、注电解液等工序,对精度、效率、一致性要求很高,所涉及的设备主要包括:叠片 卷绕机、注液机、封装设备等。

  后段工序的生产目标是完成化成封装: 截至中段工序,锂电池的电芯功能结构已经形成,后段工序的意义在于将其激活,经过检测、分选、组装,形成使用安全、性能稳定的锂电池成品。后段工序主要流程有:化成、分容、检测、分选等,所涉及的设备主要包括:充放电机、检测设备等。

锂电池

图:锂离子电池的一般生产工艺过程

必威bet体育  电芯制作工艺 卷绕工艺 vs 叠片工艺

  电芯制作工艺可分为叠片和卷绕两种: 叠片工艺是将正负极极片、隔膜裁成规定尺寸的大小,随后将正极极片、隔膜、负极极片叠合成小电芯单体,然后将小电芯单体叠放并联起来组成一个大电芯;卷绕工艺是将分条后的极片固定在卷针上随着卷针转动将正极极片、负极极片以及隔膜卷成电芯的工艺方式,在这里极片的大小、卷绕的圈数等参数根据电池设计容量来进行确定。

  在动力锂电领域,产能扩张规模大且要求交付速度快,电池质量、能量密度和安全性等要求不断提升;锂电池企业通过整线化采购和生产技术持续更迭来实现快速交付、提高能量密度和电池良率,目前锂电设备整线化正成为行业发展趋势。在锂电池生产技术迭代方面,电芯装配段的叠片工艺在能量密度、安全性和充放电效率方面优于卷绕工艺,顺应电芯能量密度比提升趋势,叠片机的市场空间或将有所增加。

  在消费锂电领域,行业头部企业主要采用软包、圆柱和方形电池方案,三种形态电池技术所对应的加工工艺不完全一样, 目前软包电池多用叠片工艺,圆柱电池多用卷绕工艺,方形电池以卷绕工艺为主,也可以用叠片工艺。卷绕工艺包括极片制片和电芯卷绕两道环节,需使用制片机和卷绕机;而叠片工艺包括极片模切和电芯叠片两道环节,需使用到模切机和叠片机。软包电池质量轻、安全性和能量密度高,逐步替代圆柱电池和方形电池成为行业主流,同时软包电池出货量的上升也将带动模切机和叠片机的销售增加。

锂电池

图:卷绕工艺与叠片工艺电芯对比示意图

  电芯制作设备 卷绕机 vs 叠片机

  卷绕机的定义: 锂离子电池制造的卷绕工序是将前述制片工序中制作的极片制成锂离子电池的裸电芯。卷绕电芯是指正极、负极极片料卷或长片间夹有一层隔膜,一起卷绕成一个圆柱体或棱形体的电池芯体,是完成锂离子电池制造的关键工序之一。卷绕机是移动通讯类中小型号锂离子电池生产关键设备,卷芯制造设备为适应圆柱、铝壳、软包等不同类型电芯制作工艺,工序复杂、控制严格。

必威bet体育  叠片机的定义: 锂离子电池制造的叠片工序是将模切完成的正、负极片与隔膜间隔堆叠成电池的裸电芯。叠片主要有 Z 字型叠片和制袋式叠片两种形式, Z 字型叠片即将模切完成的正、负极片直接与隔膜间隔堆叠形成电芯;制袋式叠片是在叠片前增加制袋工序,将模切完成的正、负极片分别装入隔膜袋内,叠片时仅将正、负极片袋间隔堆叠即可形成电芯。叠片机是动力及储能类大中型号锂离子电池生产关键工序设备, 叠片电芯制作设备工序复杂、控制严格,存在安全因素多,曾一度成为锂离子电池制造的瓶颈。

锂电池

锂电池

必威bet体育图:卷绕机工作流程 图:叠片机工作流程

  “叠时代”以来广受青睐

  1、叠片工艺迎合市场需求,“叠时代”以来广受青睐

必威bet体育  “叠时代”以来叠片工艺广受青睐:随着新能源汽车的大规模推广和普及,人们对新能源汽车的多样化需求也进一步提升,如:安全性能更高、续航里程更长、充电速度更快;于是,刀片电池(长电芯)随之进入我们的视野,但“刀片电池”电芯结构变得狭长,卷绕工艺已无法满足新一代电池的生产要求。

  叠片工艺采用多极片并联的方式使得电池内阻更小,充电效率更高;且在充放电循环中产生热量也相对较小、较均匀,电池安全性更高;此外,叠片工艺使得电池内部空间利用更充分,电池能量密度相对更大。因此,叠片工艺深受锂电池制造企业的青睐。

锂电池

  2、卷绕机关键影响因素 张力控制、自动纠偏技术、卷绕速度张力控制是影响卷绕机先进程度的核心技术:在整个卷绕过程中,为了保证电芯组装成的电池具有高一致性,需要尤其注意卷绕的张力控制。张力波动导致的松紧差异会使得卷绕出的电芯产生不均匀的拉伸形变,使电芯材料分层或出现 S 型褶皱,严重影响产品的一致性,隔膜、极片表面不平整起的褶皱会增大电池内阻。卷绕张力控制是一个高速的动态平衡过程,卷绕机在电气和软件控制方面要求很高,要求伺服控制系统快速反应,软件的编程也需要独到的经验水平。对于方形锂电池的卷绕,需要保持卷绕的线速度不变,角速度需要自动调整,因此方形锂电池卷绕的张力控制对技术要求更高。当前国内领先企业能做到圆柱电池张力波动控制在 5% 以下,方形电池张力波动控制在 10% 以下。

  卷绕机的自动纠偏技术和卷绕速度也比较关键: 纠偏系统能保证电池卷绕过程中极片隔膜卷绕整齐,正极 负极隔膜之间相对位置准确,目前行业通常要求卷后正负极片或隔膜的上下偏差均小于 0.5mm ,超过这一数值将对电池形变产生影响。目前国内领先企业的圆柱电芯能达到 18 米/ 秒以上的高速卷绕速度,方形电芯由于需要保证线速度恒定,因此变角速度卷绕较慢,国内领先企业能达到 0.8 米 /秒以上。

  3、叠片机多用于软包电池,与国外设备仍有较大差距叠片机多用于软包电芯生产,能实现高于圆柱和方形电池的性能和安全性: 叠片工艺生产出的电芯优点在于:由于相当于多个小极片并联,内阻较低,放电平台高;电芯极片隔膜之间受力面积一致,无明显应力集中点;内部空间利用较为充分,体积比容量和能量密度更高;叠片工艺相当于多极片并联,更容易在短时间内完成大电流放电,倍率性能佳。但同时叠片工艺也存在操作要求高、生产控制繁琐、次品率高等缺点, 目前叠片机尚未在电池行业普遍应用,主要瓶颈就在于叠片与卷绕效率的差异,未来随着叠片技术及效率的不断提升,电池厂商对叠片工艺应用的市场空间待释放。

  目前国产动力电池用叠片机的效率相比国外日韩设备差距较大:国产设备以双工位居多,效率普遍在 0.5-0.8 秒/片,而进口叠片机效率为 0.17- 0.2 秒/ 片。国内外设备差异的原因主要主要体现在:

必威bet体育  1 )国外日韩设备在锂电方面投入较早,在专利和知识产权保护下,选用的叠片工艺跟国内不同;国外叠片工艺是先将负极与隔膜裁切成单元进行叠片,再跟正极用卷绕方式制成电芯;国内主要用热复合和 Z 字型叠片工艺,相对来说较为复杂并且对设备要求高,进而生产效率方面受限制。

必威bet体育  2 )电池型号兼容性。国内电池企业一般要求叠片设备至少兼容六款型号不同的电池,而国外日韩设备只专注于一款或两款电池型号;国内设备相比国外兼容性更强,自然在稳定性和稼动率方面就相对差一些。

  3 )国产设备注重抢占市场份额,关注性价比、售后服务等客户体验,国外日韩设备则走高端路线,只服务特定领域的电池企业。

  切叠一体机成为行业趋势

  在叠片工序,动力电池电芯长薄化趋势下,卷绕工艺已无法满足需求,生产工艺向“叠时代”迈进;一体化设备作为行业发展大趋势,目前切叠一体机的应用规模也在持续上升。

  TOYO产品大量运用于新能源行业

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必威bet体育  本文内容节选自天风证券《机械设备 切叠一体机技术工艺及路径探讨》。

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