46系大圆柱电池产业化存在的痛点

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在特斯拉效应下,46系大圆柱电池引发全球产业界关注,通过结构创新与材料体系,实现更高效制造、更高性能、更低成本来满足电动化的需求,已经成为行业的重要技术路径之一。

站在2023年的时间节点,46系大圆柱行业开始发生两大重要变化。

一是,按照规划,要在今年下半年实现规模化量产的特斯拉,并未达到预期规划,同时包括松下,也传出在产业化中遇到一些问题,甚至一度打算放弃。这说明,46大圆柱产业化进入焦灼的状态。

二是,中国主流电池企业都在推出大圆柱,包括宁德时代、亿纬锂能、中创新航、远景动力、兰钧新能源等都在技术上获得了实质性进展。而且产能扩张方面实质性的进展,包括亿纬锂能,已经加速在海外的落地建厂。

而这背后,来自中国锂电产业产业链的全链条的技术支撑起到了关键作用。目前,围绕核心工艺、设备,一大批中国企业取得了突破性进展,涉及干法电极、电芯(涂布、卷绕、装配)等各个环节。推动大圆柱电池的产业化,中国企业正在提供自己的创新解决方案。

9月15日,高工锂电以“46系大圆柱电池产业化‘闯关’”为主题开展直播活动。活动上,亿纬锂能电池系统研究院副院长徐宇虹博士、兰钧新能源电芯开发总监刘阳博士、逸飞激光副总经理/研发总监冉昌林、上川精密总经理曹国平博士、清研纳科董事长王臣博士、海目星激光卷绕产品开发总监刘宝、逸飞激光产品开发与推广经理孟昌、上川精密研究院院长朱非甲博士进行了分享。

46系大圆柱产业化“痛点”

从技术工艺来看,装备端一直是46系大圆柱产业化的重要掣肘。活动上,演讲嘉宾从各个环节分享了目前46系大圆柱量产存在的痛点与挑战。

兰钧新能源电芯开发总监刘阳博士表示,从产业链来看,目前46系大圆柱产业化面临三大难点:一是终端下决心入场的需求尚未释放,大圆柱生产放量遇阻;二是大圆柱产品性能及制造上尚未完全匹配用户需求;三是高容量原材料、结构件原料来源及规模受限。

尤其在性能制造上还存在不确定性,极耳处理方式上是采用全极耳、模切极耳还是斜切极耳,处理上也包括揉平、压平的工艺;集流盘和极柱、集流盘与壳体/底盖的焊接也是一大棘手难题;在性能方面要完全兑现其潜力还需要在连续快充循环方面、高温存储方面继续下功夫。

逸飞激光产品开发与推广经理孟昌指出,由于生产合格率上不去,生产效率难以提升,关于结构、工艺、材料的探索仍在不断变革探索中,国际上实现大圆柱规模化的量产仍需要很长一段时间。

如:在结构上,特斯拉此前看似“完美”的结构,却无法保证合格率,无法量产,最终不得不修改结构,延缓产品发布日期。在工艺上,对于全极耳成型不再执着于切折工艺,正极恢复使用湿法电极工艺,干电极工艺还只是应用到负极。在材料上,除了高镍三元,还新增了LFP的选择等等。

上川精密研究院院长朱非甲博士表示,采用湿法电极工艺的大圆柱电池对涂布及质量提出了更高的要,包括更高的涂布一致性需求;更窄的削薄区及更小的削薄需求;更多条的陶瓷涂布;更窄的陶瓷涂布区;更高精度的尺寸及对齐度等。这都对涂布模头也提出了更大的挑战。

如:涂布的CPK要求从1.67提升到1.9;一致性要求从±1%提升到±0.5%;要求可信及更高的面密度检测精度;削薄区尺寸要求达到5mm以下,削薄达到5μm以下,以及厚度测量的精确性;从常用的陶瓷涂布区8mm左右缩减到3mm以下;陶瓷的厚度及陶瓷与主浆料的互溶与否需要精确测量;对齐度精度要求从0.5mm到0.3mm。此外,各家4680电池极耳工艺不同,对于尺寸测量要求更加复杂。

海目星激光卷绕产品开发总监刘宝从卷绕端分析表示,目前大圆柱卷绕工艺分为两侧出极耳与同侧出极耳等两种形态,同时存在的痛点包括效率瓶颈、极片对齐、极耳翻折控制、极耳对齐度、整机除尘能力等。

清研纳科董事长王臣博士分析干法电极工艺量产主要面临的挑战,包括:粘结剂的含量与湿法浆料相当,小于2.0%,关乎于内阻;混合粉体的流动性与湿法浆料相当,流沙若水,关乎于成膜速度;粉体直接成膜的速度、宽度与湿法涂布相当,关乎于生产效率;热复合的速度与压力,与湿法电极辊压机相当,关乎于压实密度。

大圆柱最新进展及量产预判

行业嘉宾的一致共识是,46大圆柱规模化量产将由中国企业率先开启,预计今年年底明年年初实现量产。

刘阳博士表示,目前涉及大圆柱电池研发的电池企业及车企已经达到数十家,走得快的电池企业基本已经完成所有的研发动作,并基本解决量产阻碍,等待市场上量的量产,多家企业也将2024年作为大圆柱电池SOP的时间点。

目前,兰钧新能源基于兰钧“双子星”平台打造的“辰星”大圆柱电池,具备极限降阻、飞速传输的特点,DCR降至<1.8 mohm,快充时间减少至15 min,实现充电5min,续航200km。

亿纬锂能电池系统研究院副院长徐宇虹博士表示,亿纬锂能大圆柱电池已进入C样阶段,截止今年6月份,电芯下线数量达到100万支,9月实现翻倍达到200万支,主要得益于大圆柱高效的生产效率。

目前,亿纬锂能的大圆柱生产基地,相比于传统的电芯制造,其大圆柱电池生产制造在线时间缩短至7天,相比传统制造工艺工序减少30%;生产节拍更快,综合生产制造效率相比传统制造产线提升40倍。同时实现低碳生产。

逸飞激光副总经理/研发总监冉昌林表示,根据与客户的配合情况看,部分企业的大圆柱中试线基本已经解决,大圆柱规模放量需要根据下游应用场景的明确化,预计今年年底明年年初会有突破性进展。

上川精密总经理曹国平博士表示,大圆柱在海外产量的时间比较确定,预计2024年将会翻4倍,相比来看目前国内下游市场需求还不明确。另外在上游原材料方面,如硅基负极的量产应用仍存在掣肘。

刘宝认为,46系大圆柱实现大规模放量的前提,是要形成像18650般实现标品化才能将成本优势发挥到极致,才能有更大的市场空间。

破局量产 大圆柱装备创新方案

· 逸飞激光

孟昌在演讲中表示,逸飞激光专注于组装段的智能装备方案,针对于全极耳的新工艺,涵盖了极耳成型、包胶、入壳、集流盘焊接、合盖、封口、氦检等全套工艺流程。单线效率50-300PPM(个/分钟),兼容21/32/34/46/60等全系列圆柱全极耳电芯规格。

核心工艺系统上,逸飞激光在全极耳成型方面针对揉平和切折,提供了两套不同的系统;在集流盘焊接方面,可提供过脉冲激光焊和连续激光焊两种设备路径;电芯的封口设备也可选择激光焊接封口或者机械封口。

同时,为了提高整线的实际生产效率和管理效率,逸飞激光提供的解决方案中单线有超过7000个I/O点,数据量大,数据种类多,基于逸飞的这一套MES系统可以充分进行管理,实现智能排产和自主协调,完成车间级制造执行系统的升级。

· 上川精密

朱非甲博士介绍,基于大圆柱提出的更高的涂布一致性及质量控制需求,基于集团子公司上川精密的模头调节经验+锐奇精测的面密度测量经验+华视智能的软件及AI能力,华视股份推出了全闭环控制涂布系统,已经实现批量交货,在部分现场实现了COV小于0.2的涂布质量。

其中,锐奇精测的1.5*12mm的光斑尺寸+自研的高精度测量传感器+高可靠的测量工作站及电气系统+成熟的测量软件系统,带来了3σ为±0.05g/㎡或±0.05%的重复精度;上川精密基于近10年的垫片设计经验,可以通过垫片设计来实现5mm以内的削薄区及5μm以内的削薄;华视智能的Argusmart测量系统,可以进行分辨率0.025mm的测量,满足0.1mm以下的测量精度。

· 海目星激光

刘宝介绍,海目星激光圆柱切卷一体机率先攻克工艺技术难点,产能效率15PPM(极片长度5.5m),张力波动≤±5%,激光切割速度1.5m/s(全极耳狭缝工艺)。

突破性采用凹凸模设计的专利结构,对极耳进行预折及抚平拍平(经过多次角度逐级成型),并通过6维度DOE技术优化,进一步防止了极耳成型后产生翻折和倒插,保障了卷绕电芯的安全性。

采用CCD与模切闭环控制,使极耳对齐度保持在±5mm以内的精度;新研发测厚与模切闭环控制系统,进一步提升极耳对齐度的控制精度。

· 清研纳科

王臣博士表示,已量产的湿法电极目前面临溶剂NMP引入具有生殖毒性、能耗高、占地面积大等困境,清研纳科目前在干法电极制造拥有的底层技术包括:1、粉体直接成膜技术,2、自支撑膜片与涂炭集流体热复合技术。

2021年10月,清研纳科已建成年产能100万平方米的超级电容器用干法电极生产线。2023年10月,公司将拉通国内首条锂离子电池用干法电极生产线。目前公司与纳科诺尔联合研发的多辊连轧设备采用8辊形式,幅宽达450mm,速度达30m/min。

审核编辑:汤梓红

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