蜂巢能源高速疊片技術(shù)3.0，0.125秒！

關(guān)于動力電池的技術(shù)路線如何選擇，圍繞圓柱、軟包和方殼的討論一直在持續(xù)；與此類似的是，在制造層面，鋰電池中段電芯裝配工序中，疊片技術(shù)和卷繞技術(shù)也處于長期競爭。

這兩種方案是圍繞電芯的空間利用率、電芯壽命、電芯制造效率和制造投資這幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的不斷博弈。

●卷繞工藝

通過控制極片的速度、 張力、尺寸、偏差等因素，將分條后尺寸相匹配的極片及隔膜、終止膠帶等卷成極芯的一種生產(chǎn)工藝。

●疊片工藝

是將極片與隔膜交替堆疊在一起，最終完成多層疊片極芯的一種生產(chǎn)工藝。

如下圖所示，就電池形態(tài)來看：軟包和刀片電池是圍繞疊片工藝來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的；方形電池既可以使用疊片工藝也能夠采用卷繞工藝，而目前中國的主要技術(shù)方向還是圍繞卷繞為主；圓柱電池作為一種成熟的產(chǎn)品形態(tài)，一直采用卷繞工藝。

▲圖1.卷繞和堆疊的方案

從中國的技術(shù)長期發(fā)展方向來看，隨著疊片技術(shù)的進(jìn)步，大量電池企業(yè)開始從原有的卷繞工藝逐漸進(jìn)入疊片時(shí)代。這里我們可以看一看蜂巢能源最近發(fā)布的一些信息。

Part 1

蜂巢的疊片技術(shù)演進(jìn)

我們首先來看看，疊片技術(shù)帶來的好處。

從最終電池產(chǎn)品來看，疊片形成的電池產(chǎn)品，能量密度更高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、安全性更高和壽命更長。

▲圖2.疊片的優(yōu)勢

●能量密度更高

從電芯內(nèi)部來看，卷繞工藝的卷繞拐角部有弧度，空間利用率低一些，疊片工藝能夠充分利用電池空間，在相同體積的電芯設(shè)計(jì)下形成的電芯能量密度更高。

●結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定

電池使用過程中，鋰離子的嵌入會使得正負(fù)極片均會有膨脹，卷繞拐角處內(nèi)外層內(nèi)應(yīng)力不一致，卷繞的電池會發(fā)生波浪狀變形，進(jìn)而致電池的界面變差，電流分布不均，加速電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

疊片工藝在電池的循環(huán)往復(fù)使用中，雖然也會膨脹，但總體來說，每層膨脹力相近，因此可保持界面平整。

●安全性更高

卷繞下兩端極片折彎后涂層材料發(fā)生較大彎曲變形，折彎處容 易發(fā)生掉粉、毛刺問題。極片和隔膜所受拉力容易出現(xiàn)不均勻、產(chǎn)生褶皺，極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會導(dǎo)致電芯變形。而疊片電池受力均勻，在這個(gè)角度而言，電池安全性更高。

●更長的循環(huán)壽命

疊片電池的極耳數(shù)量較多，電子傳輸距離越短，電阻越小，故疊片的電池內(nèi)阻能夠降低，電池產(chǎn)熱小。而卷繞容易發(fā)生變形、膨脹等問題，影響電池衰減性能。

在國內(nèi)做方殼電池的企業(yè)中，使用疊片工藝，蜂巢能源是第一家。2018年進(jìn)入行業(yè)，蜂巢能源就一直倡導(dǎo)動力電池“從'卷時(shí)代'邁入'疊時(shí)代'”；2019年蜂巢能源首次亮相就展示其內(nèi)部代號為“L600”的長疊片電芯，一期產(chǎn)線已提升至單工位0.6秒/片的生產(chǎn)效率；在當(dāng)時(shí)的規(guī)劃中，疊片的速度路徑是0.6秒/片到0.45秒。蜂巢能源正式投產(chǎn)的二期，建設(shè)了首條“短刀”電池量產(chǎn)線，蜂巢Z字形疊片機(jī)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了0.45秒/片。

在目前這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，蜂巢自主研發(fā)的高速疊片技術(shù)3.0，采用極片熱復(fù)合與多片疊融合技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新在效率方面實(shí)現(xiàn)了顛覆性的突破，實(shí)現(xiàn)了0.125秒／片的疊片速度。這就使得整體的中段工藝得到了簡化，單位占地節(jié)省40%以上。同時(shí)，效率和精確性的提高，也解決了隔膜褶皺、對齊度不良等缺陷控制與監(jiān)測痛點(diǎn)問題。

▲圖3.疊片技術(shù)的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)

Part 2

高速疊片和短刀方案的搭配

疊片工藝和短刀方案是如何搭配起來，這個(gè)也需要來追溯一下。

蜂巢能源的短刀電池L600疊片磷酸鐵鋰電芯，長度約600mm，已在蜂巢能源常州金壇工廠正式量產(chǎn)下線——單體能量密度達(dá)到175Wh/kg，循環(huán)壽命超過4000次，快充0-80%SOC，充電時(shí)間小于45分鐘。這種電池以前因工藝原因，在生產(chǎn)過程中一直受疊片效率相對較低的影響。但通過設(shè)備集成——在疊片設(shè)備上多片同時(shí)切、同時(shí)疊，實(shí)現(xiàn)了更簡單機(jī)構(gòu)的高效產(chǎn)出，在單機(jī)設(shè)備成本幾乎不變的情況下，效率提升超過200%。這就使得短刀電池的設(shè)計(jì)和高速疊片的配合實(shí)現(xiàn)了很好的“化學(xué)反應(yīng)”。

▲圖4.短刀電池序列

目前蜂巢能源是全部轉(zhuǎn)向了“短刀”電池序列，在這方面能看到的好處主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)層面，比如體積能量密度高、可以作為結(jié)構(gòu)件做CTP，降低成本，易于散熱，安全性好。

而從“短刀”的適配性，也確實(shí)通過L300、L400、L500和L600，存在多個(gè)不同的尺寸長度合理，能夠適配80％以上的乘用車，還能在不同應(yīng)用環(huán)境下使用。在之前，主要的瓶頸在大規(guī)模生產(chǎn)階段。通過這次工藝的導(dǎo)入，生產(chǎn)工藝也更好實(shí)現(xiàn)，做到更高的良品率。這是通過集成化的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，集成了極片放卷、裁切、疊片CCD在線監(jiān)測、熱壓功能，縮短了極片卷料到疊片之間的片料轉(zhuǎn)運(yùn)，降低極片裁切到疊片間的加工精度差，大幅提升了良品率。

在這里，我們也在思考，短刀為什么與疊片技術(shù)的搭配堪稱完美呢？

我們能看到，刀片的設(shè)計(jì)不太適用于卷繞工藝。從實(shí)踐來看，卷繞的長度不能超過300mm。目前量產(chǎn)的卷繞工藝支持的電芯長度在280mm-300mm，而這個(gè)尺寸形態(tài)目前是方殼的主要覆蓋范圍。

通過工藝設(shè)計(jì)，蜂巢的疊片工序的對齊度精度是±0.3mm，而疊片速度0.125秒。短刀電池的技術(shù)優(yōu)勢和制造成本優(yōu)勢更加明顯，高性能的短刀電池與高效能的高速疊片技術(shù)結(jié)合，這套解決方案就形成了一個(gè)閉環(huán)。

Part 3

技術(shù)方案展望

圓柱、方殼、軟包的發(fā)展方向，還是不同的企業(yè)根據(jù)自身的情況進(jìn)行不同的選擇。各自有優(yōu)勢。

從目前的技術(shù)場景來看：

●圓柱：4680標(biāo)準(zhǔn)化，卷繞，單個(gè)電芯的制造速度再提高，使用場景拓寬。

●軟包：往短刀和長刀過渡，使用疊片是具有更大優(yōu)勢的。

●方殼：如果保持現(xiàn)有的尺寸，繼續(xù)使用卷繞是合理的選項(xiàng)；但發(fā)展成方殼疊片過渡尺寸，成為短刀和長刀后，會自然地采用疊片工藝。

▲圖5.不同的技術(shù)路線的選擇

綜合制造效率和成品率來評估兩種技術(shù)路線：

●潛力最大的是卷繞大圓柱，最主要的圍繞成熟工藝開始導(dǎo)入干電極的工藝，我們有很大的想象空間。

●發(fā)展最快是疊片：隨著蜂巢能源在疊片技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及中航、億瑋鋰能等動力電池企業(yè)的持續(xù)跟進(jìn)，中國的電池企業(yè)都朝著超級疊片+刀片電池方案開始設(shè)計(jì)，這塊的潛力最大。

● 發(fā)展走向平穩(wěn)是卷繞：方殼卷繞保持現(xiàn)狀，我們也看到了在原有的產(chǎn)能建設(shè)方面，這條路線是最大的。

小結(jié)：電池企業(yè)圍繞工藝選擇要做取舍，但是走勢越來越清晰，隨著技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展，動力電池TWh大規(guī)模制造時(shí)代是每個(gè)電池企業(yè)不可回避的點(diǎn)，誰能做好這點(diǎn)，就能在動力電池成為大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品階段找到自己的立足根本。

審核編輯 ：李倩