电池制造工艺与装备创新.docx

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1、电池制造工艺与装备创新目录1.前言1?时代高科推动电池装备产业升级12. 1.概述12.2. 手握多款锂电装备虏获电池头部企业芳心22.3. 自动化率进一步提升创新基因催动产业升级3?制造工艺及装备发展趋势4?材料技术与制造技术深度融合4?制造一体化及制造原理改变6?制造工艺及电池结构精简化7?结语81 .前言过去十几年，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

2、现突破的新机遇。时代高科推动电池装备产业升级1.1. 概述时代高科董事长田瀚溶在与电池网交流时表示，随着锂电池企业集中度不断提高与头部电池厂商扩产明显，对设备稳定性、烘烤效率、维护简易性等需求更为关注，具备综合能耗、烘烤效率、生产稳定性、质量一致性优势的烘烤线将成为越来越多电池厂商的选择，市场潜力较大。双碳目标持续推进下，新能源汽车已驶入市场化快车道，加之储能产业加速爆发，锂电池需求态势呈现高增长。工信部统计数据显示，2023年，我国锂电年总产值首次突破万亿元，超过1.2万亿元。进入2023年，电池新能源产业链项目投资持续落地。据电池网不完全统计,1-4月，国内电池新能源产业链企业相继公布的新

3、投建项目多达143个，其中有117个项目公布投资金额，整体投建资金高达5954.26亿元，百亿级别项目达26个。电池新能源投资扩产潮下，装备企业率先受益，竞争也日益加剧。深圳市时代高科技设备股份有限公司（简称“时代高科”）董事长田瀚溶在与电池网交流时表示，随着锂电池企业集中度不断提高与头部电池厂商扩产明显，对设备稳定性、烘烤效率、维护简易性等需求更为关注，具备综合能耗、烘烤效率、生产稳定性、质量一致性优势的烘烤线将成为越来越多电池厂商的选择，市场潜力较大。2. 2.手握多款锂电装备虏获电池头部企业芳心时代高科成立于20（H年，是全球知名的真空干燥装备提供商，业务涵盖锂电池烘烤装备、整厂智慧物流

4、装备、高端自动化清洗装备三大领域。公司拥有深圳、赣州、上海、天津四个基地，研发和生产面积约18万平方米。谈起在电池新能源领域的布局，田瀚溶回忆，早在2006年，时代高科就已经开始研发制造真空干燥产品线，从2013年开始，公司获得比亚迪巨额订单，一路走来，牵头或参与行业和国家标准的制定，为客户提供更可靠的智能化解决方案，先后与松下、1G、CAT1、比亚迪、国轩高科、亿纬锂能、蜂巢能源、中创新航等众多国内、国际知名电池企业的合作。“当下，锂电干燥设备市场较为集中，受下游补贴退坡影响，动力电池企业降本压力向上传导，锂电干燥设备市场竞争加剧，集中度将不断提高。”田瀚溶表示，巨大的不断的资金投入和丰富的

5、研发制造经验已赋能时代高科，让公司站在了全球真空干燥装备行业的前列。CIBF2023,时代高科全自动封闭式高速真空烘烤线惊艳全场，高速烘烤线大气精致，更能够大幅节省成本。该款产品主要应用于电池生产过程中极卷极片烘烤、电芯烘烤等环节，时代高科在烘箱的设计、进料模式、调度模式、烘烤方式等方面均进行了创新设计，烘烤速度和处理能力可以大幅提升，能耗大幅降低，不需要配置干燥房，而且大大缩减了占地面积。除锂电池烘烤装备外，田瀚溶强调，整厂物流装备与仓储系统也是时代高科在新能源领域的主力产品线。整厂物流装备帮助传统的劳动力密集型向自动化、信息化、智能化生产方式转型升级。时代高科为机械、电子、光电行业的客户提

6、供自动物流装备已经多年，时代高科已为华为、大众、国轩高科、亿纬锂能、孚能科技、比克、比亚迪、国联等多家龙头企业提供整厂或分段物流装备。2.3.自动化率进一步提升创新基因催动产业升级从市场前景来看，研究机构EVTank数据显示，2023年，全球锂电设备市场规模为952亿元，其中中国锂离子电池设备市场规模占比66.6%,达到634.3亿元；预测2023年约1140亿元，2023年约1360亿元，到2026年全球锂离子电池设备市场规模将超过2100亿元，且锂电设备的自动化率将进一步提升。在设备的自动化率方面，田瀚溶表示，近年来，时代高科积极推进企业数字化、智能化转型，充分应用工业互联技术，优化生产流

7、程，将分布广泛且零散的人、机器、设备全部连接起来，构建统一的互联网络。在提升规模化方面,时代高科研发的机器人自动焊接产线能够大幅提升焊接效率，同时做到成本降低、浪费减少，已在12万平米的时代高科赣州基地批量投入使用。田瀚溶进一步介绍，时代高科整厂物流装备与仓储系统将整个动力锂电池生产的各环节全部合理连接，通过存储设备、输送设备、装盘区设备、NG站等专机，并采用先进的机器人进行物料搬运，从电芯卷绕到最终成品，大大减少人工，甚至取代人工，实现了电池生产全工艺过程的自动化、智能化，达到生产企业预期的指标，帮助电池企业打造真正的智能车间。值得一提的是，在电芯物流线输送过程中，时代高科整厂物流装备与仓储

8、系统还克服了托盘与输送带之间的摩擦问题，降低粉尘对生产的影响。与此同时，该系统在人力节省方面也做了多方面细节设计。例如，在输送线上配备自动清洁除尘系统，用于自动清洁粉尘，节省了人工；物流线空盘自动回流功能,节省了生产现场取盘人力等。设备自动化率进一步提升的背后，离不开技术研发的有力支撑。“公司始终认为，持续创新才能保持市场竞争力”，田瀚溶表示，时代高科具备较强的创新基因，旗下研究院及实验室服务超80%的锂电池生产头部企业，通过建立大数据库，能够更加精准地为客户提供产品线技术方案。与此同时，在设计生产方面，田瀚溶强调，时代高科做到全流程把控，从设计一加工一装配一调试的各个环节，紧密配合、沟通顺畅

9、，降低成本，为用户确保高品质高性价比。制造中心拥有500余套高精度加工装备，确保高端高品质高精度加工的要求，是确保公司对整体品质管控的护城河。综合来看，面对全球电动化大趋势，实现大规模和快交付的智能装备企业将迎来发展机遇。时代高科正以创新基因催动产业升级，双豉妾勇创新，产品自动化率进一步提升，质量管控高效运行，携手推动电池新能源产业高质量发展。?.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

10、。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80-120mmin,目前已提升到200mmino由此看，锂电制造设备的更新迭代向着大规模、高精

11、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

12、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

13、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、SE1膜、锂枝晶控制等问题。如图1储能电池制造过程机理管控。材料制造极片制造芯包制造电芯制造电池制造1Qw1Oe1OwIoY1O(mJnm尺度尺度mm尺度M级尺度图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

14、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、辐压等过程一体化。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

15、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(MaXWeII)使用的非纤维化粘结剂包括聚偏氟乙烯、孩甲基纤维素等,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

16、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(MaXWe11)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58%)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