电池制造工艺及装备发展趋势

过去十几年，锂电产业从半自动到单机自动化，再逐步走向全自动和智能化。在这个过程中电池制造工艺几乎没有大的变化，但随着电池需求量每年超过100%的持续猛增和电池材料体系的不断升级，电池制造工艺必然面临升级，来适应制造规模和电池体系的改变。相应的，电池装备作为锂电池产业的“母鸡”，也迎来了实现突破的新机遇。

制造工艺及装备发展趋势

未来储能电池发展趋势会由单个小电芯向更大容量方向发展，锂电设备要保证这种大电芯制造精度，高的制造效率，在机构放大，兼容性提高的同时，对零部件的加工精度，组件的装配精度做相应的提升。

要解决锂电的大规模制造问题，首先要提升设备的效率。锂电设备的生产效率主要从两个方面去解决，一个是提高设备的生产速度，用更快、更稳定的结构及控制方法；另一个方面是降低设备动作所消耗的时间，即辅助时间。

典型设备以深圳吉阳智能开发的隔膜连续卷绕机为例，原来每个电芯要先加速，送片到最高卷绕速度，然后卷绕减速、停止、切断隔膜、穿针、再进行下一个电芯卷绕；改进后，隔膜不减速，采用飞切机构切断隔膜，在极片减速过程中提前切断，这降低了极片、隔膜切断过程耗时，将辅助时间缩短至接近为零，整体节拍提升30-60%（与极片长度有关）。又如极耳模切机，从原来的激光模切速度80-120m/min，目前已提升到200m/min。

由此看，锂电制造设备的更新迭代向着大规模、高精度、高可靠、一体智能化的方向发展。

从锂电制造工艺优化方面上看，集成化一体智能化设备相对于单机而言，其生产稳定性高，自动化程度更高，对生产工艺的过程适应能力更全面、更强大。同时集成一体智能化设备也为制造企业减少用人用地成本，减短工序衔接的同时降低物料的损耗等起到关键作用。

材料技术与制造技术深度融合

纵观电池制造过程是从纳米级别尺度材料加工操作到米级别装置生产、加工的过程，过去锂电制造主要集中在基于牛顿力学的设备制造效率、制造质量和成本的管控，主要管控的是材料的物理位置、速度、加速度、惯量、摩擦、阻力等参数，相对而言这些控制是宏观的，过程的可见性和可观测性都比较容易把控。

基于电池是内部在电场作用下离子迁移的过程，而外部体现的是电子转移的过程，这样的过程决定必须从微观的角度，用量子力学的方法来管控电池生产、使用的过程，考虑电池生产及制成后结构和组成的演变，电子、离子的输运行为，界面问题和性能尺度效应对电池的影响，电池在充放电过程界面的变化，过程的性能及尺度变化，要考虑内部分子、离子间的耦合效应、温度效应和形位体积变化，进而控制电池的安全、自放电、循环寿命、能量密度和功率密度。

这就需要更多的从微观角度考虑制造过程热力学、动力学（离子输运动力学、电荷转移动力学、反映动力学、相变动力学等）和稳定性。

然而，这些复杂过程的管控在制造方面目前没有完整的理论模型，这是多物理场耦合，多元、异构数据，多尺度控形、控性的内在规律问题和海量数据管理问题；能够采取的方法是基于定性趋势分析和大数据建模的机器学习和优化建模方法，用量子力学理论，摸清电池内在科学规律，进行过程优化、决策和控制，建立分析方法、评价手段，达到电池制造的可重构、大规模、定制化；最终解决离子迁移、发热与传热、内部压力管控，实现过程形变、SEI膜、锂枝晶控制等问题。如图1储能电池制造过程机理管控。

图1 储能电池制造过程机理管控

制造一体化及制造原理改变

前面是从微观量子的角度探讨电池制造要考虑的微观问题，在宏观和微观之间针对锂离子电池内耦合电化学反应的多物理场管控的过程，用广义态变量(诸如无量纲数、粒子密度、晶格缺陷密度、粒子速度等)对电池电化学过程进行量化表述。

采用多向流动的光滑粒子动力学数值模拟技术，开发可以考虑电极介观微结构的数值模型，模拟得到放电过程中电池内部离子浓度场，固、液相电势场以及转换电流密度等微观细节分布，以及电池宏观性能如输出电压等，据此可以分析并揭示电池充放电过程的基础物理化学机制、电池宏观性能与构成电极的固体活性物颗粒尺寸之间的关联。干法极片制造就是在介观粒子范围的动力学理论指导下，将电极制造混合、搅拌、涂布、干燥、辊压等过程一体化。激光模切卷绕一体化，激光模切叠片一体，后续组装工序合并成一个设备也是重要的趋势。

未来，我们看到电芯设备可能只有三台，即：极片设备，组装设备和检测设备，当然这是未来，是制造人的理想，需要材料，工艺和设备的共同努力和进步，完全不可能一蹴而就，需要锂电制造人付出更多的努力和心血。

干电极的主要制备工艺（亦称“干法涂布”）：选择非纤维化粘结剂；球磨非纤维化粘结剂造粒；混合非纤维化粘结剂、纤维化粘结剂和电极活性材料（正极/负极）等，压延成膜。为保证物料的塑性，成型过程中多需要加热混合物至100℃以上。

特斯拉（Maxwell）使用的非纤维化粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素等，使用的纤维化粘结剂主要是聚四氟乙烯，工艺多采用并行流程。如图2特斯拉干法极片制造工艺。

图2 特斯拉干法极片制造工艺

相比于传统湿法电极工艺，干法以球磨替代搅拌，以压延替代涂布，并省去了湿法涂布后的烘干过程，可节约溶剂、缩短工时、避免溶剂残留、降低设备复杂度。干法工艺也存在弱点，即难于实现活性材料的均匀分散，对锂电池而非超级电容电极材料而言尤其如此。

特斯拉（Maxwell）干电极工艺更简单，不使用溶剂。该过程从电极粉末开始，将少量（约5-8％）细粉状PTFE粘合剂与正极粉末混合，然后将混合的正极粘合剂粉末通过挤压形成薄的电极材料带，将挤出的电极材料带层压到金属箔集流体上形成成品电极。干法制片可以提升极片制造的效率，缩短工艺过程，为储能电池大规模制造开创一种新的可能。

制造工艺及电池结构精简化

锂电池制造过程中的各个工序段设备显著影响电池性能，电池工艺流程的长短影响着电芯制备的一致性以及可控性。制片和电芯成型工艺精简化就是成功的实例，辊压分条一体机、模切卷绕一体机、模切叠片一体机这些设备的诞生，一方面精简了工艺，增加了设备闭环控制的能力；另一方面减少了原材料运输路线复杂造成的损失成本，并且节省人力。

而围绕电池性能和制造的结构优化，在未来的电池产业发展过程中将带来天翻地覆的变化，如电池壳体形状、大小以及极柱连接随性能、制造、连接要求而改变，内部集流体、极柱按照电池回收的要求改变等。

宁德时代与比亚迪同样也在工艺精简化上分别采用不同的CTP方式来缩短工艺路线。CTP即CELL TO PACK, 跳过模组提升电池包的体积利用率。宁德时代CTP电池包里面是包含两个以上的电池模组，每个电池模组里面有多个电芯和容纳这些电芯的框架，将之前的小模组换成了更大的模组。比亚迪CTP又称GCTP即刀片电池，“无模组化”程度更高，可以简单理解为刀片电池包只用了一个大模组。如表1 CATL-CTP工艺与BYD-CTP工艺对比。

表1  CATL-CTP工艺与BYD-CTP工艺对比

结语

新能源锂电应用端需求的持续扩大，锂电龙头企业通过不断扩产实现规模化以降低成本，对产线工艺、性能、生产效率提出更高要求，锂电设备对锂电工艺、锂电的良品率和生产效率的持续提高起到关键作用，创新能力是电池制造工艺的核心能力，锂电设备的更新迭代与锂电制造技术的进一步突破，需要保持密切合作。

编辑：黄飞