鋰電池制造工藝全解析

鋰電池結(jié)構(gòu)

不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料的工藝相似但裝備需全新配置

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、非水電解質(zhì)和隔膜組成。目前，市場上使用最廣泛的鋰電池是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，它們的正極原料差異很大，生產(chǎn)工藝流程相近，但工藝參數(shù)需要大幅度改變。如果磷酸鐵鋰完全被三元材料替代，舊生產(chǎn)線的精餾效果不好。對于電池制造商來說，需要大面積更換生產(chǎn)線上的設(shè)備。

鋰電池制造工藝

前中后三道工序，占比接近35%/30%/35%

鋰電池生產(chǎn)過程復(fù)雜，主要生產(chǎn)過程主要包括電極生產(chǎn)的攪拌和涂覆階段(前階段)、電池單體合成的卷繞和注液階段(中間階段)以及化學(xué)包裝的包裝檢驗(yàn)階段(后階段)。價(jià)值(購買金額)約占(35~40%):(30~35)%:(30~35)%。差異主要來自不同的設(shè)備供應(yīng)商、進(jìn)口/國產(chǎn)比例的差異等。流程基本相同，價(jià)值比例有偏差，但總體符合比例。

鋰電池生產(chǎn)前階段對應(yīng)的鋰設(shè)備主要有真空混合機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)等；中間工序主要包括模切機(jī)、繞線機(jī)、層壓機(jī)、噴液機(jī)等。；后端流程包括化學(xué)成型機(jī)、體積檢測設(shè)備、流程倉儲(chǔ)和物流自動(dòng)化等。此外，電池組生產(chǎn)需要電池組自動(dòng)化設(shè)備。

鋰電前段生產(chǎn)工藝

極片制造關(guān)系電池核心性能

作為鋰電池前端工藝的結(jié)果，制備鋰電池的正、負(fù)極板，第一步是攪拌，即將正、負(fù)極固體電池材料混合均勻，加入溶劑，用真空攪拌機(jī)攪拌成漿料。配料的混合是后續(xù)鋰電池工藝的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的混合是后續(xù)鍍膜和壓延工藝高質(zhì)量完成的基礎(chǔ)。

涂布和輥壓工藝之后是分切，即對涂布進(jìn)行分切工藝處理。如若分切過程中產(chǎn)生毛刺則后續(xù)裝配、注電解液等程序、甚至是電池使用過程中出現(xiàn)安全隱患。因此鋰電生產(chǎn)過程中的前端設(shè)備，如攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分條機(jī)等是電池制造的核心機(jī)器，關(guān)乎整條生產(chǎn)線的質(zhì)量，因此前端設(shè)備的價(jià)值量（金額）占整條鋰電自動(dòng)化生產(chǎn)線的比例最高，約35%。

鋰電中段工藝流程

效率先行，卷繞走在疊片之前

在鋰電池制造過程中，中間工序主要是完成電池成型，主要工藝流程包括制片、極片卷繞、模切、電池芯卷繞成型和疊片成型等。，這是目前國內(nèi)設(shè)備制造商激烈競爭的領(lǐng)域，約占鋰電池生產(chǎn)線價(jià)值的30%。

軟包裝結(jié)構(gòu)主要面向中高端數(shù)字市場，單位產(chǎn)品利潤率較高。在相同生產(chǎn)能力下，相對利潤高于鋁殼電池。由于鋁殼電池的規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)品合格率和成本容易控制。目前，兩者在各自的市場領(lǐng)域都有可觀的利潤，在可預(yù)見的未來很難被完全取代。

由于卷繞工藝可以通過轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電芯的高速生產(chǎn)，而疊片技術(shù)所能提高的速度有限，因此目前國內(nèi)動(dòng)力鋰電池主要采用卷繞工藝為主，因此卷繞機(jī)的出貨量目前大于疊片機(jī)。

卷繞和疊片生產(chǎn)對應(yīng)的前道工序?yàn)闃O片的制片和模切。制片包括對分切后的極片/極耳焊接、極片除塵、貼保護(hù)膠紙、極耳包膠和收卷或定長裁斷，其中收卷極片用于后續(xù)的全自動(dòng)卷繞，定長裁斷極片用于后續(xù)的半自動(dòng)卷繞；沖切極片是將分切后的極片卷繞沖切成型，用于后續(xù)的疊片工藝。

在鋰電封裝焊接方面，聯(lián)贏、大族、光大的主流激光技術(shù)集成應(yīng)用廠家均有所涉及，能夠滿足需求、無需進(jìn)口。

鋰電后段工藝流程

分容化成是核心環(huán)節(jié)

鋰電后段生產(chǎn)工藝主要為分容、化成、檢測和包裝入庫四道工序，占生產(chǎn)線價(jià)值量約35%?；珊头秩葑鳛楹蠖喂に囍凶钪饕h(huán)節(jié)，對成型的電池進(jìn)行激活檢測，由于電池的充放電測試周期長，因此設(shè)備的價(jià)值量最高?；晒に嚨闹饕饔迷谟趯⒆⒁悍庋b后的電芯充電進(jìn)行活化，分容工藝則是在電池活化后測試電池容量及其他電性能參數(shù)并進(jìn)行分級?；珊头秩莘謩e由化成機(jī)和分容機(jī)通常由自動(dòng)化分容化成系統(tǒng)完成。

鋰電Pack工藝

看似簡單但需要與系統(tǒng)性設(shè)計(jì)結(jié)合

動(dòng)力電池組系統(tǒng)是將眾多單個(gè)的電芯通過串、并聯(lián)的方式連接起來的電池組，綜合了動(dòng)力和熱管理等電池硬件系統(tǒng)。Pack是動(dòng)力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵，是連接上游電芯生產(chǎn)和下游整車的應(yīng)用核心環(huán)節(jié)，通常設(shè)計(jì)需求由電芯廠或汽車廠提出，通常由電池廠、汽車廠或者第三方Pack廠完成。

鋰電池Pack產(chǎn)線相對簡單，核心工序包括上料、支架粘貼、電焊、檢測等工藝，核心設(shè)備為激光焊接機(jī)以及各類粘貼檢測設(shè)備。目前，各大鋰電設(shè)備廠商在此領(lǐng)域的自動(dòng)化集成布局較少，而大族激光、聯(lián)贏激光等激光設(shè)備廠商由于在激光領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢，在Pack設(shè)備領(lǐng)域占有率較高。

目前Pack生產(chǎn)的自動(dòng)化比例相對較低，是因?yàn)槟壳暗男履茉窜噯慰钴囦N量都不夠大，上自動(dòng)化生產(chǎn)線的成本較高。

磷酸鐵鋰和三元

能量密度繞不開的話題，不同材料需要全套設(shè)備投資

目前國內(nèi)主流動(dòng)力鋰電池的正極材料分為磷酸鐵鋰和三元兩大種類。其中磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，其循環(huán)壽命通常在2000次以上，再加上由于產(chǎn)業(yè)成熟而帶來的價(jià)格和技術(shù)門檻的下降，使得很多廠商出于各種因素考慮都會(huì)采用磷酸鐵鋰電池。然而磷酸鐵鋰電池在能量密度方面則存在明顯的缺陷，目前磷酸鐵鋰電池龍頭比亞迪磷酸鐵鋰單體電芯能量密度為150Wh，2017年底比亞迪預(yù)計(jì)將能量密度提升到160Wh，理論上磷酸鐵鋰能量密度很難超過200Gwh。

三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰的鋰電池，鎳鈷錳的實(shí)際比例可以根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。由于三元鋰電池具備更高的能量密度（目前寧德時(shí)代等動(dòng)力電池一流大廠三元鋰電池能量密度普遍能達(dá)到200Wh/kg-220Wh/kg，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)到2020年三元電池單體電芯能量密度將達(dá)到300Wh/kg的水平），乘用車市場開始轉(zhuǎn)向三元鋰電池，而在安全性要求更高的客車上，磷酸鐵鋰則更受青睞。隨著全電動(dòng)乘用車的發(fā)展，三元鋰電池正在占據(jù)越來越重要的位置。

兩種材料的能量密度和成本有差異，不同的汽車、不同的車企有不同的選擇。二者在生產(chǎn)工藝流程上大致相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在材料的使用和配比上不同、具體工藝參數(shù)差異較大，設(shè)備無法共線生產(chǎn)，且單純改造切換產(chǎn)能的成本較高（三元材料對真空除濕等要求嚴(yán)格，之前的磷酸鐵鋰生產(chǎn)線基本沒有除濕要求），因此多家電芯廠在產(chǎn)能規(guī)劃中會(huì)同時(shí)布局、分別采購設(shè)備。

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