锂电池罐子蜂巢能源电芯制造工艺细节探秘|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

蜂巢能源电芯制造工艺细节探秘

引言：这次很高兴有机会，进入蜂巢电池的工厂进行深度的参观和了解，如下图所示，蜂巢的产线布置主要的三部分，是电极装配车间、电芯封装和化成车间、最后是模组车间（这部分以后再单独介绍）。从一颗电芯的制造来看，电芯的生产工艺主要包括几个阶段：

1）前段工序是把电池的原材料加工成为电池极片，主要包含投料、涂布、辊压、分切、模切等工序；

2）中段的工序是把前面制作的极片，按照电芯的设计加工成为未激活电芯，需要经过卷绕或叠片、入壳焊接、注液和封口等工序，叠片是中段的核心工序。

在完成以上两个步骤以后，需要对电芯进行化成和检测，最终检测合格以后进入模组产线进行生产，我们这次最主要的环节是前面的两个环节。

01 极片制作工厂

1）混料和涂布

先进入眼帘的是投料和搅拌的工序，一共有三层楼高，顾名思义就是把电池的材料进行搅拌处理。电池的正、负极电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。配料的搅拌是锂电后续工艺的基础，这里是由三楼的全自动投料系统投料，通过管道自动输送至搅拌设备内，制成浆料，高质量搅拌是后续涂布、辊压工艺高质量完成的基础。这里与众不同的地方是采用了一个2300L大容量PD 搅拌+高速分散工艺，利用高速分散，能够使匀浆时间缩短 40%。采用这么大的罐子的理由，主要是考虑工艺会有偏差，是尽可能把一炉搅拌的材料尽可能做成一致的材料，如果出了问题，这一炉材料都会报废掉，所以对于异物（特别是金属异物）的控制非常严格。在这里很重要的地方就是磁性异物吸附装置，分布在粉料 1 道+浆料 3 道（涂布机还自带1道），可通过过滤和吸附可以控制磁性异物量≤200ppb; 除磁棒磁性12000高斯，浆料系统3道除磁（高速分散后磁性17000高斯，其余12000高斯）。整个电池的制造，都和环境、异物做斗争，所以后面我们会多次反复看到这个除磁的装置。

图1 投料系统的照片（我们看到的是一楼的部分）

涂布是指将电池原料涂覆在电池导电基材上面的一种工艺，来生产制造锂电池正负极极片。涂布的均匀性、一致性、对齐性、烘烤稳定、粘结剂扩散性、面密度稳定性等都于此息息相关，这个工艺质量的好坏直接关系到电池质量的优劣，锂电池对水分十分敏感，微量的水分就有可能会对电池的电性能产生很大的影响。

图2 涂布环节的概览

所以衡量一个电池企业的好坏，很重要的就是涂布环节的工艺，蜂巢采用双层折返式挤压涂布机，每台涂布机安装 3 套β射线面密度在线检测系统，通过这样的控制使得涂布面密度精度为±1.5%，每台涂布机也配备 2 套 A、B 面在线 CCD 涂宽检测装置，确保涂布宽度及AB面错位≤0.5mm。

在除磁方面，箔材及涂布极片配备3道除磁装置，分别在A面涂布前箔材表面、B面涂布前箔材表面、B面出烘箱极片表面。磁性8000高斯。涂布机头/机尾分别安装千级小环境，控制涂布时异物。而在涂布环节比较特殊的地方在于这里的12节独立可调节温度的悬浮式干燥箱，在工艺上可以实现极片悬浮干燥传输，避免烘干过程产品接触污染，实现的办法是上下两股气流实现对冲平衡极片传输。

图3涂布干燥烘箱

2）分切辊压再分切

分切：如下图所示，涂布完成后是有四个有效涂布区域，需要把极卷一分为二，上料采用 AGV 自动对接上料，分切以后通过助力臂辅助下料，这样整个分切过程中就不用人的接入实现无接触生产。分切完成以后进行辊压

图4 分切的上料

辊压：这道工艺目的，是在制备极片卷料压实到设计的厚度，特别是目前制备大容量电芯，极片的压实密度都不低。通过对极片卷料进行高压力滚动挤压，实现减小，永久活性物质分别与铝箔，铜箔压实，达到符合技术要求的厚度，长度，连续需分别独立辊压。从材料上使用了镀铬压辊，保证在 80m/min 辊压速度的同时也保持圆跳动在＜3μm 内。蜂巢在正极和负极方面采用了两种不同的工艺方式实现的：

1）正极辊压：本工序正极采用热压工艺（80度），温控精度为±1°C，同时集成箔材 IHA（电磁脉冲加热）在线处理技术，可在箔材区域实现预延展，解决箔材留白褶皱问题

图5&6 正极的辊压

在这道工序上采用了红外干燥的办法，采用一个很小的设备就可以实现快速去除极片水分。

2）负极辊压：目前考虑采用这种双辊连续辊压工艺，主要是负极未来可能需要采用硅系负极，所以会考虑分两次进行连续辊压，这里特殊地方需要保证张力控制，弄不好很容易断。

图7 负极辊压

图8 分切

二次分切：辊轧之后的产品进行进一步分切，通过在线在线缺陷检测，可以识别露箔，并对每台设备收卷前对极片进行磁棒在线除磁。

图9 二次分切

3）模切和叠片

模切：通过五金模切设备，将分切后的极片卷料冲片成电池实际要求的体积，在这个环节中最主要的事情是能够控制这个环节中的毛刺。

叠片：叠片是制备电芯的非常重要的一道工序，通过叠片机，将多层极片和交错叠成电芯。蜂巢采用的是摇摆式叠片技术，单片叠片速度可达 0.6s，之前普遍来看叠片是整个电芯制造的瓶颈工艺步骤，所以在这个基础上二期将采用0.45S每片，三期将开发0.25s超高速叠片设备。

图10 叠片机

02 组装和化成

在这部分里面，相对电芯就比较成型了，这里有很多的方壳电芯的工艺。我们把电池的电芯要装进去，形成一个“干”的电池。

1）卷芯到电芯的制作过程

1.1）预热和热压由于要对材料进行处理，这里也要拉到80度的，然后进行HI-POT绝缘检测（分别在叠片后、预焊后、一次氦检后三道工序的100%全检），这样可以剔除有问题的电芯。在检测中也使用了X-RAY 检测设备对每个极组的四个角部进行 100%对齐度检测

1.2）超声波焊和转接片激光焊接把电芯做好以后，就需要把整体进行焊接，这里一方面考虑连接的可靠度，一方面考虑焊接过程中产生的金属焊渣的清理过程，到了这一步重点还是对于工艺金属异物产生和消除的考核非常高。总体来看，除异物以磁性棒+抽风的方式来做，这种处理方法基本贯穿整个电芯产线。

图11 焊接除异物

1.3）顶盖激光焊工序这部分封盖的过程，把电池的顶盖和电池进行焊接。

图12 电芯顶盖焊接

1.4）注液工序、高压预充和二次注液之前做的电池都是“干”的，所以在这个环节，需要从喷嘴的注液口注入封装好的电芯，形成半成品电芯。注液工艺可分为两个步骤，第一步是将电解液注入电芯内部，然后进行高压预充，让第注入的电解液吸收到电芯（浸润）。通过进一步预充完成产气的过程之后对电池称重，进行二次注液，确保电池内有足够的电解液。

2）化成到了这里，就有一个独立的厂房，把将半成品电芯按照设定的充放电条件进行首次充放电活化。这里分为高温老化和常温老化，通过检测OCV来确保电芯的各个参数分析。由于之前电芯都不是成品，到了化成开始成为产品了，也具备了危险性，蜂巢在这里采用了全自动立体化成系统，充放电库位配置温度检测、可燃气体报警探测、库位内液体灭火系统温度监控、烟雾报警等多项安全设施，当出现意外的时候，采用分割处理，保证单个电池出现热失控也不会对整体有影响。

图13 电芯化成车间

最后完成所有的测试环节之后对电芯进行包膜处理，做成完整的成品电芯，如下图所示。

图14 电芯包膜处理

小结：这么一条产线走下来，其实没多少人，大量的水分控制、异物控制，所需要的东西还是很多的，希望对大家了解电芯的生产有用。

宁德钠电池深度分析：续航330km，1599万的特斯拉Model 3你会买吗？

宁德时代发布了新一代钠离子电池。

众所周知，目前最主流的电池是锂离子电池，原因有很多，比如锂最轻，以及锂可以形成最高的电池电压。但锂的缺点也很明显：地球上的储量太少，因此价格很高。于是，钠离子电池的概念应运而生。

钠离子电池并不是新鲜概念。早在20世纪70年代就有类似的概念提出，毕竟这个思路太自然不过了——钠和锂是最接近的碱金属元素，而且钠在地球上的储量实在非常多，这个看看家里的盐罐子就知道。

但是钠也存在一些与锂不同的性质：钠比锂的电位稍微“正”了一点，因此电池的能量密度会降低一点 ；

（从这张图里还可以看到其他有研究潜力的电池体系，如钾离子电池，钙离子电池，镁离子电池等）

另外，钠比锂的原子尺寸也大了一点，也重了一点。

也因此导致了锂离子与钠离子电池的诸多不同。

首先是两者使用的材料不同。由于原子尺寸大了一点，容易卡在材料内部出不来，可以供锂离子存储的正负极材料通常无法供钠离子使用。因此关键在于开发新体系的正负极材料，正如宁德时代董事长曾毓群所说，“有人在议论，电池的化学体系已经很难创新了，只能在物理结构上做些改进；我们认为电化学的世界，就像能量魔方，未知远远大于已知，我们乐此不疲地探索其中的奥秘。” 在这里，也对这些孜孜不倦研发材料的科学家和工程师们表达我们的敬意。

在多种钠离子电池用正极材料体系中，宁德时代选择了“普鲁士白”体系。这类材料具有克容量较高，不含贵重金属因此价格很低，以及电压平台很高等优点：

可见材料为白色粉末状。

Mn掺杂使得材料电压平台（相对于钠金属）高达3.7V，有助于实现电池的高能量密度

但其缺点也很明显：其本身的晶体结构不是很稳定，会在循环中发生结构变化，导致循环容量衰减；同时，普鲁士白材料难以完全去除结晶水，会在循环中发生水与负极的副反应，引起电池产气。从某种意义上来说，由于结晶水恰恰是稳定普鲁士白晶体结构的关键，这两个缺点难以同时解决，如何平衡这两个问题，就成为了钠离子电池应用的关键。

也正因此，此前基本没有厂商发布过循环可超过千次的普鲁士白类正极材料。宁德时代自称解决了这个问题，其通过材料计算方法进行了大量尝试后对实验方向进行了指导。至于其所使用的具体途径，包括材料表面修饰和体相的改进，可以通过查阅其近期专利寻找线索。宁德时代此次发布的克容量160mAh/g与磷酸铁锂材料的克容量接近。但发布会并未提及电池循环寿命，因此还有待进一步了解。

钠电的负极材料也与锂离子电池不同。绝大多数锂离子电池之所以使用石墨作为负极材料，是因为锂离子可以与石墨形成LiC6结构的稳定插层化合物。但石墨无法用于钠电：其无法与钠形成稳定结构的化合物（这并非是由于钠离子尺寸比锂离子大，因为令人费解的是，比钠离子更大的钾离子却可以与石墨良好兼容，其中的原因尚未得到解释）。

因此，钠电的负极材料研究共识为采用另一些层间距更大的碳材料，如中科海钠发布的无烟煤基，以及此次宁德时代发布的硬碳基材料。此材料在成本低于石墨的同时实现了与石墨接近的克容量（350mAh/g）发挥，同时由于层间距较大等因素，原子可以快速进出层间，使得电池快充与低温充放电成为可能。

硬碳储存钠的优势就在于其晶面间隙大，缺陷位置较多，因此可以容纳较多的钠。同时作为碳材料之一与石墨工艺接近，也因此成为了最主流的钠电负极材料：

但实际上硬碳是一个比石墨门类广泛得多的领域（所谓硬碳，即由于碳材料结构混乱，高温烧结仍然不会形成石墨的层状结构，如上图。无烟煤基碳材料本质上也可以归类为硬碳），此次发布会实际上并未透露所使用硬碳的具体信息。此外，由于硬碳材料较低的首次库伦效率，会导致电池的容量低于同等条件下的锂离子电池。

电解液语焉不详。其可能与锂离子电池使用的电解液差别不大，不过对于特殊的正负极材料需要使用特殊的添加剂及溶剂，以避免发生正极材料溶出等问题。

其余，隔离膜，壳体，集电体等结构可以与锂离子电池相同。也因此，钠离子电池可以使用与锂离子电池接近的工艺路线进行生产，降低了工艺开发与设备改造的相应成本。这里还有钠离子电池的另一个特点：由于锂会与铝箔发生反应引起合金化，因此锂离子电池负极必须使用耐还原的铜作为集电体，而铜的密度是铝的三倍多，增加了电池的重量同时提高了电池成本。钠电中则不会有此问题，正负极都可以使用更轻更廉价的铝作为集电体，也有助于提升电池重量能量密度并降低成本。

其次，至于锂电、钠电混用的BMS，个人认为其更接近于模组层面的并联，通过控制充放电模式来分别对锂电或钠电模组进行控制 。否则，由于锂电与钠电的不一致，会导致系统难以稳定工作。

综上分析，如果宁德时代的发布会内容为真实的，则其确实将钠离子电池商用化推进了一步，但即使是从最基础的材料层面分析，仍然远不足以称其为一个成熟可用的体系。其优点在于，由于使用正负极材料容量均与磷酸铁锂电池类似，因此可以将其视为一种 “成本较低，容量稍低，能量密度稍低，循环性能未提供数据”的低成本磷酸铁锂电池 ，其优异的低成本优势可在中低端领域发挥特长，取代锂离子电池。但不足之处仍然很多而且短期内难以克服，如循环性能尚不清楚，能量密度仍然较低等，可认为其短时间内可能会应用于两轮电动车等产品，而在电动汽车及储能等应用尚需要进一步完善。这也就解释了为何此次发布的电池包括圆柱电池和硬壳电池。

另外此次宁德时代仅透露了其电池的能量密度为160Wh/kg，却并未提及另一个同样重要的指标：体积能量密度。

由于汽车尺寸的限制，电池包的体积能量密度越高则可以容纳更大容量的电池。这也是比亚迪发布刀片电池和宁德时代发布CTP电池的原因：通过省去电池的模组结构提高电池的体积利用率。也正因此，比亚迪高调宣传其刀片电池可以实现体积能量密度提高50%（280Wh/L）的巨大优势。

而这恰恰是钠离子电池的另一个巨大短板所在：由于所用材料普鲁士白（1.8g/cm3）与硬碳材料（1g/cm3）的压实密度都远低于磷酸铁锂（2.4g/cm3）与石墨（1.7g/cm3）等材料，同时使用了更轻但更厚的铝箔作为负极集电体，因此相同容量下电池的体积会远大于锂离子电池，粗略计算有磷酸铁锂电池的1.4倍左右（同体积容量是锂离子电池的70%）。

这一点是由所使用材料体系决定的，因此短期内无解决的迹象。

以model3为例子，其NEDC里程为468km，若全部更换为钠离子电池，其里程会下降到约327.6km左右，考虑到冬季加热需求，冬季续航可能仅剩262.8km。但同样地，其电芯的BOM成本也能降低约20%。

我们按照目前最新的电芯成本来看，方形磷酸铁锂的价格为617元/kwh，特斯拉Model 3标准续航升级版55度电芯的成本为33935元，如替换成钠离子电池，电量按照70%计算为38.5kwh，成本降低20%为493.6元/kwh，实际成本下降到19003.6元。（降低14931.4元）

——这么看来，假设把当前Model 3的电池改为钠离子电池，我们可以获得一台22.09万，续航330km的model3，再考虑到这台车的续航和标准续航版相比差异实在太大，以及特斯拉一直有大约20%的卖车毛利，所以这台车特斯拉牺牲下毛利，是可以做到19.99万的。

而根据很多专业机构的预测，随着特斯拉第二工厂的建立、产能进一步扩大，标准续航版车型价格一定会降到19.99万。

届时按照特斯拉一贯的定价体系，如果有钠离子电池的车型，这款车或许可以打到15.99万的区间去。

——那么一台15.99万，春秋续航330km，冬季续航260km和标准版差不多的特斯拉，你会购买吗？

这些数据或许暗示着，钠离子电池最终的大规模应用可能在于储能。或许未来，我们在用电高峰期使用的电能，就会有相当一部分由这些臃肿但廉价的钠离子电池提供。

对于此次钠离子电池的发布，我们的观点是：请宁德时代提供电池的循环数据，同时提供的电池的体积能量密度数据，然后做进一步分析。

来源：第一电动网

作者：刘泽竑

本文地址：https://www.d1ev.com/news/jishu/153127

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