動力電池之電芯創(chuàng)新制造技術概述

趙宇龍

摘要：近年來，我國動力電池在極片生產(chǎn)、電芯生產(chǎn)技術及裝備方面取得了較大進步，基本掌握了動力電池裝備核心技術，單機自動化方面取得較大進展，縮小了與國外先進技術的差距。

關鍵詞：動力電池；電芯；生產(chǎn)技術；裝備

近年來，我國在動力電池生產(chǎn)技術及裝備方面取得了較大進步。在制漿容量、均勻性、涂布、輥壓的寬度和涂布、輥壓速度方面甚至超過了國外主流設備企業(yè)，在卷繞變形控制、無偏差組裝、激光模切及激光焊接等單項技術方面具備了國際領先水平。

目前國內電池種類約60種，單線產(chǎn)能已突破4GW·h，Cpk達到1.33～1.67，材料利用率和產(chǎn)品直通率可達到95%。在電池工藝裝備中，勻漿單機產(chǎn)能達到5GW·h，涂布速度達到120m/min，卷繞線速度達到3m/s，疊片速度達到600PPM（pages per minute），干電極工藝及裝備已研制樣機。數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)平臺已建立，單機設備邊緣閉環(huán)。

電芯制造可分為前段、中段和后段。前段為極片制造環(huán)節(jié)，主要設備包括攪拌機、涂布機、輥壓機、分切機和極耳成型機等，其中涂布機為最核心的設備。前段設備成本也最高，占比達39%。中段為電芯裝配環(huán)節(jié)，主要設備包括卷繞機/疊片機、極耳焊接設備和注入電解液等設備，其中卷繞機/疊片機為最核心的設備。中段設備成本占比為31%。后段為電化學環(huán)節(jié)，主要包括化成、分容、檢測設備等。后段設備成本占比為30%。電芯制造廠家見表1。

電芯制造創(chuàng)新技術

動力電池制造技術創(chuàng)新包括：一是制造裝備高速化、集成化和數(shù)字化，二是因電池結構變化或者實行新工藝而引起的技術創(chuàng)新。這里僅介紹電芯制造創(chuàng)新技術。

電芯結構變化包括4680大圓柱電池和刀片電池，從而促使制造技術創(chuàng)新。新型工藝裝備創(chuàng)新主要面對材料技術、電池技術升級開發(fā)新型裝備，如干法制片制備設備、預鋰化設備、多層極片復合設備、極片隔膜復合設備以及極片及電芯3D打印成型設備等。

1. 4680電芯創(chuàng)新制造技術

（1）材料創(chuàng)新方面 4680電芯采用無鈷高鎳三元正極材料和硅基負極材料。正極材料鎳金屬相比鈷金屬兼具比容量和成本優(yōu)勢；硅是目前已知比容量最高的鋰離子電池負極材料，最高鋰含量的合金相Li22Si5理論比容量高達4200 mAh/g，是石墨負極10倍左右。采用硅基負極材料的鋰電池質量能量密度可以提升8%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%。

量產(chǎn)瓶頸：硅基負極材料充放電時體積劇烈變化。硅鋰合金的生成與分解伴隨著巨大的體積變化，最大膨脹率可達320%。相比之下，傳統(tǒng)的石墨負極工作時，鋰嵌入石墨六邊形結構層間的空隙，體積變化只有16%。這將破壞電池結構，導致電池容量損失，性能下降。

解決方案：對于單質硅負極膨脹帶來的問題，可采用硅復合材料應對，當前具備商業(yè)化前景的有硅碳負極和硅氧負極。硅碳負極是指納米硅與碳材料混合，硅氧負極則采用氧化亞硅與碳材料復合。硅氧負極動力領域進展較快。氧化亞硅在鋰嵌入過程中發(fā)生的體積膨脹較小，因此相對純硅負極，其循環(huán)穩(wěn)定性有較為明顯改善，更適合應用于動力電池領域，目前各大負極材料廠商對氧化亞硅負極均有所布局。

硅基材料應用于新一代負極已經(jīng)形成共識，硅基負極應用車企已明顯提速。除特斯拉以外，包括蔚來、智己和廣汽埃安在電池技術上均涉及硅負極。在寧德時代、國軒高科及星恒電源等電池廠商高比容量電池方案中，硅碳負極被明確列為發(fā)展方向。目前，國內真正實現(xiàn)硅基負極量產(chǎn)及批量供貨的企業(yè)有杉杉股份、貝特瑞，璞泰來、石大勝華、翔豐華和硅寶科技等公司。

（2）結構創(chuàng)新方面 如圖2所示，4680電芯采用大圓柱外殼和無極耳結構。4680電芯是在21700電芯的基礎上直徑和高度同時做了擴展，直徑增加一倍多至46mm，高度增加至80mm。

傳統(tǒng)的圓柱體電池正負極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來卷繞，為了引出電極會在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個導引線叫極耳。全極耳則是負極的銅箱或正極的鋁箱模切后，與集流盤或者殼體直接焊接起來。相比這種單極耳，使用全極耳的電池內阻直接降低一個數(shù)量級。但在制造技術方面則增加了極耳模切、揉平、全極耳與集流盤激光焊接工藝等，增加了制造難度。

量產(chǎn)瓶頸：4680電芯的極耳在模切、揉平和激光焊接等工藝環(huán)節(jié)存在大規(guī)模量產(chǎn)的難點。

1）極耳模切。全極耳電芯在極片涂布時，會在集流體一側預留空箔區(qū)，經(jīng)過輥壓和分切后，將集流體邊緣的空箔區(qū)切割成多個極耳，再進行卷繞（最內測和最外側無極耳，見圖4）。激光切割極耳時的難點包括：極片在切割時易抖動；切割后廢料不能有效排出；模切長度和次數(shù)遠高于常規(guī)極耳。

2）極耳揉平。在 4680 電芯制造工藝中，需要對電池卷芯的全極耳進行揉平，待電池卷芯的斷面平整后再與集流體焊接。揉平過程中難點包括：揉平速度過快時，極片外翻；揉平速度過慢時，生產(chǎn)效率低；揉平時產(chǎn)生金屬屑較多，導致內部短路；摩擦產(chǎn)生大量粉塵；產(chǎn)生極耳褶皺。

3）極耳焊接。4680大圓柱電芯存在多個極耳，正負極整體與集流盤焊接，集流盤上細絲焊縫數(shù)量較多，焊點數(shù)量大幅增加（4680 焊接點位較21700增加了5倍），并且一般需要使用連續(xù)激光焊接設備。激光焊接過程難點包括：激光連續(xù)焊接可能造成虛焊和穿焊；焊接時熱堆積；全極耳形態(tài)不受控。

解決方案如下：

1）極耳模切。如圖4所示，可將正負極全極耳模切成多個平行四邊形的極耳單體，這樣不僅能夠在揉平過程中杜絕極片外翻，在與電池外殼組裝時，不易刮傷電池外殼的內壁，且能夠減少金屬屑的產(chǎn)生，避免短路。同時，這種平行四邊形結構能夠有效減少揉平時的輥壓力，從而避免活性材料的脫落，大大提高良品率。特斯拉4680生產(chǎn)線采用海目星激光模切設備，可進行極耳飛行激光切割，隨速變頻變功控制，減少毛刺、熱影響和漏金屬等質量問題。

2）極耳揉平。國內部分專利采用機械揉平方案，通過揉平機的揉平頭直接接觸在全極耳上，再隨著揉平頭的自轉靠近全極耳后，碾轉帶動全極耳揉平在卷繞電芯的端部。在這種揉平方法中，由于揉平頭直接與全極耳接觸摩擦，往往會將柔軟的全極耳部分揉碎，揉碎的碎末顆粒就會進入圓柱型鋰電池的正極端或負極端之間而產(chǎn)生短路。因此，新型全極耳揉平機的開發(fā)有望得到市場重視。

逸飛激光采用公轉與自轉相結合的行星式揉平整形技術，變滑動摩擦為滾動摩擦，摩擦阻力降低40～60倍?？梢愿鶕?jù)正負極集流體厚度、卷芯直徑及進階量設計等，對行星式揉平頭的直徑、錐角與倒角階梯等進行最優(yōu)化設計，并結合無損整形數(shù)控系統(tǒng)，在正負極集流體許用應力范圍值內，實現(xiàn)全極耳高速、無損成型，效率≥50PPM，精度達±0.05mm，嚴格控制了因摩擦導致集流體受損、破裂產(chǎn)生的粉塵與顆粒。

特斯拉全極耳采用吹氣方案，電芯內部和外部均無極耳，中部有極耳，吹氣嘴吹平極耳并隨著電芯直徑的增長往外移動（見圖5）。

3）極耳焊接。聯(lián)贏激光開發(fā)了多層極耳焊接工藝，替代超聲波極耳焊接，減少鋁極耳的斷層比例。逸飛激光突破高反材料厚薄疊接自適應精密激光焊接技術，實現(xiàn)了鋁和銅等高反材料厚薄疊接精密焊接，并將2mm熱影響區(qū)內溫升控制在80℃以內（低于隔膜熱影響溫度），避免造成隔膜灼傷或熱影響。通過激光焊接實現(xiàn)集流體與集流盤、正負極（蓋板）全面積本材連接，是圓柱全極耳電池規(guī)?；a(chǎn)與應用的核心技術。

4680全極耳創(chuàng)新技術引起了工藝和裝備的革新，鋰電裝備企業(yè)也紛紛投入研發(fā)新設備，見表2。和其他圓柱電池制造工藝相比，4680雖然在涂布、輥壓、注液方面也有區(qū)別，但最主要的還是全極耳的制造效率和產(chǎn)品直通率，這是影響4680電池能否量產(chǎn)的關鍵。建議鋰電裝備企業(yè)和圓柱電池生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)新工藝新設備應對結構工藝創(chuàng)新帶來的改變。

（3）工藝創(chuàng)新方面 除了因結構創(chuàng)新而引起的工藝創(chuàng)新以外，特斯拉4680電池還引入了干電極工藝。鋰離子電池的極片加工工藝按照是否使用溶劑，可分為濕法工藝和干法工藝，需要大量溶劑制備漿料通過涂布制備極片為濕法電極。相對應的，不使用任何溶劑或者僅添加少量助劑，通過粘結劑纖維化，并通過輥壓機輥壓制備極片膜再熱壓復合得到的是干法電極片。干法制備極片工藝不需要復雜的涂布設備，僅僅通過連續(xù)的加熱輥壓即可制備電池極片。該技術由于無需溶劑和干燥過程，能耗低，占地小，生產(chǎn)效率高，同時可以增加能量密度，是一種較為先進的工藝（見圖6）。

圖6 Maxwell 干電極法涂布工藝示意

量產(chǎn)瓶頸：正極干電極成膜的連續(xù)穩(wěn)定性差，厚度一致性不易控制，生產(chǎn)速度低。通過拆解第一代特斯拉4680電池發(fā)現(xiàn)，正極未使用干電極技術，負極使用了干電極技術。

正極材料在纖維化完成后，由于材料呈黏性絮狀性而且相互交聯(lián)態(tài)，而材料本身自潤滑性差，在連續(xù)傳輸過程中，極易出現(xiàn)偏析、架橋、結團等現(xiàn)象，自支撐膜制作難度極高。而負極采用干電極技術是因為負極主要為石墨類，材料本身帶潤滑作用，在粉體傳輸和輥壓過程中流動性極好，自支撐膜制作難度較低。

從特斯拉的視頻可以看到其采用臥式對壓輥，在兩輥之間添加纖維化粉體，兩輥驅動帶動材料至壓輥之間進行壓制。由于材料堆積在兩輥之間，無法精確控制計量傳輸，膜片出現(xiàn)厚度不均勻、面密度不一致，甚至斷帶、孔洞等現(xiàn)象。纖維化后的粉體材料潤滑性差，局部過厚的粉體材料會撐大兩支壓輥之間的縫隙，導致兩輥壓力超負荷，使得輥體變形，甚至輥體無法驅動。

同時，受熱膨脹、延展率和速差等因素影響，極片厚度、面密度等難以控制。電極自支撐膜韌性差，張力小，提速后易斷裂，造成生產(chǎn)難以提高速度。

解決方案：

1）提高成膜的連續(xù)穩(wěn)定性：一是物料進行造粒處理，使粒徑保持在2mm內，且大小均勻；二是采用振動方式連續(xù)均勻給料。

2）采用閉環(huán)控制系統(tǒng)保證厚度一致性：使用厚度、面密度在線檢測技術，實時自動閉環(huán)控制。

3）提高生產(chǎn)速度：一是電極膜增加載體，保證電極膜韌性；二是采用并排多輥進行連續(xù)減薄轉移。

在干電極制造方面，國內公司也公布了工程化技術，從固體粘接劑、工藝方法和設備方面的解決方案。

嘉拓智能對不同粘結劑（PTFE、PVDF、PAN及改性PAA等）在干法電極的應用，電極材料粉體形貌在混料、成型、復合后的電化學性能，干法涂布（干粉、熱熔）可行性進行了深入研究，并研制電極膜減薄成型工藝和設備（見圖7），實施多輥輥壓和鋼帶輥壓的設備路線。鋼帶系統(tǒng)可以作為自支撐電極膜的載體，減少電極膜在輥對輥制造和高速運轉中的斷帶?，F(xiàn)在已完成三元正極材料+PTFE2%+愛立許攪拌+鋼帶壓延一次成膜驗證。

上海華起睿智采用自主研發(fā)的多級結構納米材料作為添加劑，可防止纖維化后的粉體材料在生產(chǎn)輸送過程中發(fā)生團聚、分層、偏析及架橋。開發(fā)了一套專用的粉體輸送工藝和裝備（見圖8），通過高精度計量傳感器與控制器對高黏性絮狀混合粉體進行實時動態(tài)控制，得到面密度均勻的自支撐電極膜。電極膜成型采用高精度連續(xù)輥壓設備，壓力逐級放大，同時，對壓的兩輥設置速差，讓電極膜成型時產(chǎn)生“揉”和“搓”的作用，以提高成型效果。

2.長電芯制造技術

新能源汽車對動力電池能量密度提出高要求，方型電芯尺寸逐漸變大，厚度逐漸變薄。長薄化電芯散熱性好，本身可作為結構件，疊加無模組 CTP、CTC 技術，提升安全性和體積能量密度，降低成本。

（1）比亞迪刀片電池 比亞迪的刀片電池是長電芯的代表，它是一種基于方形電池的長電芯CTP方案。刀片電池通過減薄電芯厚度，增大電芯長度，同時取消模組設計，電芯直接陣列在電池包中充當結構件（即CTP方案），從而提升空間利用率，提高電池安全性。

與傳統(tǒng)方形電池相比，刀片電池最大的特點在于“長而薄”，天然適用于疊片工藝。傳統(tǒng)方形電池的長度一般為148mm、厚度79mm、高度 97mm，一般選擇卷繞工藝進行生產(chǎn)；而刀片電芯長度為960mm、厚度13.5 mm、高度90mm，刀片電芯的長度大幅增加、厚度明顯變薄，此時利用卷繞工藝很容易出現(xiàn)褶皺、變形等問題，故比亞迪采用疊片工藝生產(chǎn)刀片電池。

由于刀片電池外形不同于傳統(tǒng)動力電池，沒有現(xiàn)成的標準設備可以直接使用，而得益于比亞迪母公司設備研發(fā)制造團隊強大，關鍵工序的設備均為自行開發(fā)。弗迪工廠的涂布工藝，支持最大寬度達1300mm，同時還是雙面同時涂布，單位面積涂敷重量偏差小于1%。輥壓工藝中，可以支持1200mm超大寬幅，輥壓速度還能達到120m/min，厚度控制2μm以內，確保寬尺寸極片厚度的一致性。

在1200mm的寬度下，極片中間部分受力不如兩側，可能厚度會比兩側高。為此，弗迪工廠的輥壓機還采用了彎缸工藝，對軋輥進行平行度校正，以確保輥壓后的極片厚度一致性。疊片工藝采用的是比亞迪完全獨立自主開發(fā)的設備和裁切方案，近1m長的極片，能夠實現(xiàn)公差控制在±0.3mm以內，單片疊片效率在 0.3s/pcs 的精度和速度，在國際上都屬首創(chuàng)。

（2）蜂巢能源短刀電池 蜂巢能源的短刀電池最長也可達到600mm，電芯也比較普通電芯長，為了控制品質和效率，蜂巢能源在涂布工序、輥壓工序、疊片工序和物流環(huán)節(jié)也開發(fā)了獨特的工藝。在涂布工序，蜂巢能源采用1400mm超寬幅涂布機，一次出兩列，涂布速度高達80m/min，為了保證涂布精度，需要在涂布設備上設置三套β射線在線面密度檢測系統(tǒng)和兩套CCD實時涂寬檢測系統(tǒng)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時檢測和控制，保證涂布的自動閉環(huán)管控（面密度控制在±1.5%以內，正反面錯位≤0.5mm）。在輥壓工序，蜂巢能源通過正極熱輥壓，負極雙輥連續(xù)滾軋，正極輥壓速度80m/min，在輥壓機上進行電磁加熱、紅外線在線烘烤、在線激光測厚及廢料邊去除等技術集成，通過簡化工藝實現(xiàn)更高效率。模切工序全部應用激光模切，不僅節(jié)省了模具投入和設備維護的費用，模切效率也得到大幅提升，已由原來的30m/min提升至40～50m/min。下一步，生產(chǎn)線將采用卷對卷模切+切疊一體設備，進一步提高效率和質量。在疊片工序，已研發(fā)完成的飛疊技術，疊片效率可以做到0.125s/片，超越卷繞極組成形效率。

蜂巢能源在物流環(huán)節(jié)使用了更為先進的磁懸浮技術。極組在疊片至熱壓轉運過程中，行業(yè)一般采用皮帶物流運輸，而短刀電芯因單極組的重量、長度尺寸是其他極組的1～2倍，因此轉運過程中對極組對齊度的保證要求更高，傳統(tǒng)的皮帶物流線很難勝任此要求。為此，蜂巢能源導入使用磁懸浮的物流線。相比于傳統(tǒng)皮帶物流線，磁懸浮物流線傳輸效率更高，可以達到皮帶物流線的10倍，同時，磁懸浮運輸車的加/減速更加均勻，極組對齊度更易保證。此外，磁懸浮采用潤滑滾動，相比于皮帶線的滑動干摩擦，可以減少異物，且一致性更高，無碰撞問題，異物抑制率提升80%。

（3）中創(chuàng)新航One-Stop電池 采用了0.22mm超薄殼體技術、多維殼體成型技術、無蓋板技術、多功能復合封裝技術、模塊化極柱、一體橋接電連接技術、高剪切外絕緣技術和柔性泄壓技術，多項創(chuàng)新技術的注入可以實現(xiàn)產(chǎn)品空間利用率提升5%，結構質量降低40%，零部件減少25%，結構綜合成本降低15%。同時，在制造技術上圍繞極簡制造、極限制造及智能制造等四大制造技術方向持續(xù)發(fā)力，打造領先的制造技術能力。

極簡制造方面，采用獨創(chuàng)的DBW焊接組裝工藝，實現(xiàn)結構空間利用率的極大提高；同時采用極耳直連技術進一步提升產(chǎn)品的Z向空間利用率。采用電芯原位極簡封裝技術和電芯原位保持成組技術，實現(xiàn)工序簡化及制造效率提升。疊片產(chǎn)品上采用行業(yè)領先的高速全極耳切疊一體制造技術，實現(xiàn)行業(yè)高速切疊技術批量應用。

極限制造方面，采用高效制漿技術，實現(xiàn)高效合漿效率量產(chǎn)能力，批量用于各量產(chǎn)基地。采用高速極薄集流體寬幅涂布和寬幅輥壓技術提升電極制造效率，涂布輥壓的幅寬、效率及薄集流體應用。

智能制造方面，中創(chuàng)新航將生產(chǎn)線仿真和工藝仿真技術用于生產(chǎn)線及工藝設備開發(fā)環(huán)節(jié)，在勻漿仿真、涂布仿真和制造熱管理仿真等維度取得關鍵成果，為產(chǎn)品和工藝實現(xiàn)及降本增效持續(xù)賦能。同時，公司生產(chǎn)線已經(jīng)實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)應用、云計算與機器感知。同時聚焦更高層次的數(shù)據(jù)應用，同步在智能監(jiān)測、AI自分析和閉環(huán)自調整等方面深入研究，實現(xiàn)精益自動化、數(shù)字化和智能化的深度融合，支撐TW·h時代的大規(guī)模制造。

結語

1）4680電池大規(guī)模量產(chǎn)仍存在瓶頸，但前景可期。硅負極技術、干法電極技術還不成熟，全極耳生產(chǎn)效率還有待提高。由于技術迭代的時間短，4680電池工程化在生產(chǎn)效率和質量控制方面仍存在矛盾。但作為一款新型的動力電池，4680大圓柱電池在生產(chǎn)成本、安全及性能方面很有優(yōu)勢及市場前景，這從松下、寧德時代和億偉鋰能等電池廠商以及特斯拉、寶馬等汽車廠商紛紛提前布局就能看出端倪。大規(guī)模量產(chǎn)后，也一定能提高圓柱電池的市場占比，并與方形電池、軟包電池一起滿足新能源汽車的市場需求。同時，4680電池的低成本、高性能和技術創(chuàng)新密不可分。采用無鈷高鎳正極材料、硅基負極材料、全極耳結構及干法電極工藝等先進技術可降低電芯生產(chǎn)成本，提高電芯能量密度和充放電效率。根據(jù)最新的消息，4680大型圓柱電池的量產(chǎn)取得了重大突破，美國加州弗里蒙特工廠生產(chǎn)了86.8萬顆大圓柱形鋰離子電池電芯，能夠支持1000輛Model Y裝車。

2）長薄刀片電芯+高速疊片工藝正成為方形電池發(fā)展的主流趨勢。與卷繞工藝相比，疊片工藝更適合長薄電芯，且優(yōu)勢開始凸顯。更高的能量密度：在相同體積的電芯設計情況下，疊片電芯的能量密度高出約5%左右；更穩(wěn)定的內部結構和更高的安全性：不存在拐角內應力不均勻問題，每層膨脹力接近，因此可以保持界面平整，內部結構更穩(wěn)定，同時拐角處受力均勻，斷裂風險降低；更長的循環(huán)壽命：極耳數(shù)量是卷繞電池的兩倍，內阻相應降低10%以上，循環(huán)壽命比卷繞高10%左右；同時更適合做大尺寸、高倍率和異型電池。然而，疊片工藝具有生產(chǎn)效率較低、占地面積大、良率不如卷繞、設備投資大及技術難度大等缺陷。但隨著以蜂巢能源“飛疊技術”為代表的疊片技術迭代，這種缺陷正在逐步消失。預計2025年長薄化電芯需求量將超1300GW·h，市場需求大，發(fā)展進入快通道。