電池制造工藝及裝備發展趨勢

過去十幾年，鋰電產業從半自動到單機自動化，再逐步走向全自動和智能化。在這個過程中電池制造工藝幾乎沒有大的變化，但隨著電池需求量每年超過100%的持續猛增和電池材料體系的不斷升級，電池制造工藝必然面臨升級，來適應制造規模和電池體系的改變。相應的，電池裝備作為鋰電池產業的“母雞”，也迎來了實現突破的新機遇。

制造工藝及裝備發展趨勢

未來儲能電池發展趨勢會由單個小電芯向更大容量方向發展，鋰電設備要保證這種大電芯制造精度，高的制造效率，在機構放大，兼容性提高的同時，對零部件的加工精度，組件的裝配精度做相應的提升。

要解決鋰電的大規模制造問題，首先要提升設備的效率。鋰電設備的生產效率主要從兩個方面去解決，一個是提高設備的生產速度，用更快、更穩定的結構及控制方法；另一個方面是降低設備動作所消耗的時間，即輔助時間。

典型設備以深圳吉陽智能開發的隔膜連續卷繞機為例，原來每個電芯要先加速，送片到最高卷繞速度，然后卷繞減速、停止、切斷隔膜、穿針、再進行下一個電芯卷繞；改進后，隔膜不減速，采用飛切機構切斷隔膜，在極片減速過程中提前切斷，這降低了極片、隔膜切斷過程耗時，將輔助時間縮短至接近為零，整體節拍提升30-60%（與極片長度有關）。又如極耳模切機，從原來的激光模切速度80-120m/min，目前已提升到200m/min。

由此看，鋰電制造設備的更新迭代向著大規模、高精度、高可靠、一體智能化的方向發展。

從鋰電制造工藝優化方面上看，集成化一體智能化設備相對于單機而言，其生產穩定性高，自動化程度更高，對生產工藝的過程適應能力更全面、更強大。同時集成一體智能化設備也為制造企業減少用人用地成本，減短工序銜接的同時降低物料的損耗等起到關鍵作用。

材料技術與制造技術深度融合

縱觀電池制造過程是從納米級別尺度材料加工操作到米級別裝置生產、加工的過程，過去鋰電制造主要集中在基于牛頓力學的設備制造效率、制造質量和成本的管控，主要管控的是材料的物理位置、速度、加速度、慣量、摩擦、阻力等參數，相對而言這些控制是宏觀的，過程的可見性和可觀測性都比較容易把控。

基于電池是內部在電場作用下離子遷移的過程，而外部體現的是電子轉移的過程，這樣的過程決定必須從微觀的角度，用量子力學的方法來管控電池生產、使用的過程，考慮電池生產及制成后結構和組成的演變，電子、離子的輸運行為，界面問題和性能尺度效應對電池的影響，電池在充放電過程界面的變化，過程的性能及尺度變化，要考慮內部分子、離子間的耦合效應、溫度效應和形位體積變化，進而控制電池的安全、自放電、循環壽命、能量密度和功率密度。

這就需要更多的從微觀角度考慮制造過程熱力學、動力學（離子輸運動力學、電荷轉移動力學、反映動力學、相變動力學等）和穩定性。

然而，這些復雜過程的管控在制造方面目前沒有完整的理論模型，這是多物理場耦合，多元、異構數據，多尺度控形、控性的內在規律問題和海量數據管理問題；能夠采取的方法是基于定性趨勢分析和大數據建模的機器學習和優化建模方法，用量子力學理論，摸清電池內在科學規律，進行過程優化、決策和控制，建立分析方法、評價手段，達到電池制造的可重構、大規模、定制化；最終解決離子遷移、發熱與傳熱、內部壓力管控，實現過程形變、SEI膜、鋰枝晶控制等問題。如圖1儲能電池制造過程機理管控。

圖1 儲能電池制造過程機理管控

制造一體化及制造原理改變

前面是從微觀量子的角度探討電池制造要考慮的微觀問題，在宏觀和微觀之間針對鋰離子電池內耦合電化學反應的多物理場管控的過程，用廣義態變量(諸如無量綱數、粒子密度、晶格缺陷密度、粒子速度等)對電池電化學過程進行量化表述。

采用多向流動的光滑粒子動力學數值模擬技術，開發可以考慮電極介觀微結構的數值模型，模擬得到放電過程中電池內部離子濃度場，固、液相電勢場以及轉換電流密度等微觀細節分布，以及電池宏觀性能如輸出電壓等，據此可以分析并揭示電池充放電過程的基礎物理化學機制、電池宏觀性能與構成電極的固體活性物顆粒尺寸之間的關聯。干法極片制造就是在介觀粒子范圍的動力學理論指導下，將電極制造混合、攪拌、涂布、干燥、輥壓等過程一體化。激光模切卷繞一體化，激光模切疊片一體，后續組裝工序合并成一個設備也是重要的趨勢。

未來，我們看到電芯設備可能只有三臺，即：極片設備，組裝設備和檢測設備，當然這是未來，是制造人的理想，需要材料，工藝和設備的共同努力和進步，完全不可能一蹴而就，需要鋰電制造人付出更多的努力和心血。

干電極的主要制備工藝（亦稱“干法涂布”）：選擇非纖維化粘結劑；球磨非纖維化粘結劑造粒；混合非纖維化粘結劑、纖維化粘結劑和電極活性材料（正極/負極）等，壓延成膜。為保證物料的塑性，成型過程中多需要加熱混合物至100℃以上。

特斯拉（Maxwell）使用的非纖維化粘結劑包括聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素等，使用的纖維化粘結劑主要是聚四氟乙烯，工藝多采用并行流程。如圖2特斯拉干法極片制造工藝。

圖2 特斯拉干法極片制造工藝

相比于傳統濕法電極工藝，干法以球磨替代攪拌，以壓延替代涂布，并省去了濕法涂布后的烘干過程，可節約溶劑、縮短工時、避免溶劑殘留、降低設備復雜度。干法工藝也存在弱點，即難于實現活性材料的均勻分散，對鋰電池而非超級電容電極材料而言尤其如此。

特斯拉（Maxwell）干電極工藝更簡單，不使用溶劑。該過程從電極粉末開始，將少量（約5-8％）細粉狀PTFE粘合劑與正極粉末混合，然后將混合的正極粘合劑粉末通過擠壓形成薄的電極材料帶，將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集流體上形成成品電極。干法制片可以提升極片制造的效率，縮短工藝過程，為儲能電池大規模制造開創一種新的可能。

制造工藝及電池結構精簡化

鋰電池制造過程中的各個工序段設備顯著影響電池性能，電池工藝流程的長短影響著電芯制備的一致性以及可控性。制片和電芯成型工藝精簡化就是成功的實例，輥壓分條一體機、模切卷繞一體機、模切疊片一體機這些設備的誕生，一方面精簡了工藝，增加了設備閉環控制的能力；另一方面減少了原材料運輸路線復雜造成的損失成本，并且節省人力。

而圍繞電池性能和制造的結構優化，在未來的電池產業發展過程中將帶來天翻地覆的變化，如電池殼體形狀、大小以及極柱連接隨性能、制造、連接要求而改變，內部集流體、極柱按照電池回收的要求改變等。

寧德時代與比亞迪同樣也在工藝精簡化上分別采用不同的CTP方式來縮短工藝路線。CTP即CELL TO PACK, 跳過模組提升電池包的體積利用率。寧德時代CTP電池包里面是包含兩個以上的電池模組，每個電池模組里面有多個電芯和容納這些電芯的框架，將之前的小模組換成了更大的模組。比亞迪CTP又稱GCTP即刀片電池，“無模組化”程度更高，可以簡單理解為刀片電池包只用了一個大模組。如表1 CATL-CTP工藝與BYD-CTP工藝對比。

表1 ?CATL-CTP工藝與BYD-CTP工藝對比

結語

新能源鋰電應用端需求的持續擴大，鋰電龍頭企業通過不斷擴產實現規?；越档统杀?，對產線工藝、性能、生產效率提出更高要求，鋰電設備對鋰電工藝、鋰電的良品率和生產效率的持續提高起到關鍵作用，創新能力是電池制造工藝的核心能力，鋰電設備的更新迭代與鋰電制造技術的進一步突破，需要保持密切合作。

編輯：黃飛

?