深圳中基王磊博士：大圓柱電池對制造裝備提出極致效率和良率要求
“目前國內(nèi)外布局大圓柱電池的企業(yè)超過50家，全球產(chǎn)能規(guī)劃在450GWh左右。”近日，在第八屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2023)上，深圳市中基自動化股份有限公司研究院院長王磊博士，作主題為《大圓柱電芯智能裝配線關(guān)鍵技術(shù)研究進展》的演講，并分享了上述數(shù)據(jù)。
圖為深圳市中基自動化股份有限公司研究院院長王磊博士演講
王磊表示，今年整個電池行業(yè)都讓人感受到一定的寒意，實際上目前電池行業(yè)處在結(jié)構(gòu)性調(diào)整、周期調(diào)整的階段，不管是軟包電池、小圓柱電池或者方形電池，整體需求沒有像去年或者幾年前那么火爆，但是2023年關(guān)于大圓柱電池的一系列動態(tài)非常多。
比如說，今年年初特斯拉宣布擴建其美國內(nèi)華達(dá)州工廠，計劃將大圓柱電池年產(chǎn)能提升至100GWh;寶馬集團分別與寧德時代、億緯鋰能、遠(yuǎn)景動力達(dá)成大圓柱電池的采購意向;弗迪電池與LG新能源宣布合力打造4680系列電池……
大圓柱電池為什么火熱?王磊指出，這是因為大圓柱的高體積能量密度、高容量、高倍率性、高安全性、低成本等優(yōu)勢。據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)測，到2027年全球大圓柱電池市場將達(dá)到300GWh的規(guī)模。無疑，這對于大圓柱電池設(shè)備的生產(chǎn)商是一個重大利好。
01
大圓柱帶來的新問題
大圓柱是相對新型的電池，帶來了一系列新的結(jié)構(gòu)，尤其是全極耳結(jié)構(gòu)，但同時也帶來一系列制造的問題。
“首先是工藝路線的多樣化，大圓柱電池工藝相對來說并沒有統(tǒng)一，相對比較復(fù)雜。”王磊表示。從結(jié)構(gòu)方面來看，大圓柱電池有不同的直徑，從42mm到46mm，甚至到60 mm都有;還有不同的高度70mm、80mm、140mm等，需求端非常不一樣。
除此之外，“還有單通、雙通入殼的方式，以及殼體的材料不同等等，會帶來電芯成型和封裝形式的不一樣。”王磊指出，極耳成型是以揉平還是拍平方式實現(xiàn)，或者說超聲焊接、激光焊接的需求，要針對不同的結(jié)構(gòu)和材料進行改變。
另外，行業(yè)周知小圓柱電池目前相對來說18650已經(jīng)做到了標(biāo)準(zhǔn)化的路線。王磊指出，未來大圓柱電池也要朝著標(biāo)準(zhǔn)化的路線發(fā)展，對制造裝備提出了極致效率和極致良率的要求，這也是電池裝備企業(yè)面臨的一系列挑戰(zhàn)。
02
中基解決方案
大圓柱電芯裝配技術(shù)路線，目前整個市面上分為兩種，鋁殼激光焊接和鋼殼滾槽工藝路線。王磊表示，兩者的區(qū)別是在封口的時候采用激光焊接方式還是滾槽成型方式，后端的注液都一樣。兩個路線目前來說并沒有誰占更多優(yōu)勢，只是針對不同的材料體系和殼體結(jié)構(gòu)做不同的選擇。
針對這兩種路線，深圳中基目前都有成套裝備的解決方案，可以實現(xiàn)單線產(chǎn)能最高達(dá)350PPM。王磊介紹道，目前單線和雙線是行業(yè)內(nèi)的常態(tài)，線體是通過一條線實現(xiàn)，或者是多線拼線實現(xiàn)。而他的判斷是，發(fā)展到最后還是會走單線的路線，因為整個成本更低、效率更高。同時，可以達(dá)到多規(guī)格兼容以及高焊接的精度和速度。
“我們今年7月給行業(yè)頭部客戶交付4680大圓柱電池智能高速裝配線，是一個單線產(chǎn)能，120PPM是實際的產(chǎn)能，我們的設(shè)計可以達(dá)到150PPM的設(shè)計產(chǎn)能。”據(jù)王磊透露，目前在單線產(chǎn)能方面，國內(nèi)在量產(chǎn)端能做到120PPM以上的企業(yè)并不多。
針對大圓柱電池制造對高速的需求，王磊表示，公司后面會做到真正的雙量產(chǎn)線到200PPM、300PPM以上，以凸輪、轉(zhuǎn)塔等高效傳輸傳動技術(shù)為主。它兼容臥式和立式，產(chǎn)能效率可提升到350PPM，產(chǎn)線的柔性高，模塊化設(shè)計時間周期短、設(shè)備換型成本低、參數(shù)優(yōu)化和調(diào)試的難度小。
全極耳是大圓柱電池中非常重要的工序，它的成型直接影響著整個電池后續(xù)的質(zhì)量和良率。王磊介紹說，深圳中基基于模擬仿真分析和缺陷表征，對極耳成型進行了優(yōu)化，并設(shè)計了相關(guān)的壓平結(jié)構(gòu)，開發(fā)了預(yù)壓和壓平的工藝，從而提升了壓平產(chǎn)品的來料兼容性。同時，還提高了集流盤的焊接良率，解決了在壓平過程中常見的隔膜損傷和壓平外側(cè)翻邊的問題。
“揉平以后要進行焊接”，王磊介紹道，中基推出了基于飛行控制的激光焊接工藝和技術(shù)，自研高速旋轉(zhuǎn)位置高精度動態(tài)補償算法，大大提高了產(chǎn)線的效率，減少了激光器的應(yīng)用，降低了產(chǎn)線的成本。同時可以用于集流盤、底殼和穿梭焊接等，焊接速度可以達(dá)到600mm/s。
上述是解決整個大圓柱電池高速連續(xù)焊接的效率問題，而質(zhì)量問題也很關(guān)鍵。王磊指出，在集流盤和全極耳焊接過程中，焊接控制難度相對比較高，全極耳銅箔、鋁箔厚度非常薄，會影響到電芯的質(zhì)量。針對集流盤焊接工藝，深圳中基開發(fā)了相應(yīng)的焊接工藝，進行的相應(yīng)驗證都得到了比較好的結(jié)果。
值得注意的是，針對大圓柱電池的雙通結(jié)構(gòu)，深圳中基還開發(fā)了新型氣漲軸的立焊工藝。王磊表示，該工藝能解決鋁殼殼體焊接良率的問題，并實現(xiàn)單通道、雙通工藝快速成型，為電池成本降低提供了設(shè)備保障。
除此之外，在大圓柱電池的焊接過程中，全極耳的揉平以及焊接過程中都會帶來粉塵，會影響電池的質(zhì)量。據(jù)王磊透露，對于高效除塵技術(shù)，深圳中基基于流場模擬分析、管路的狀態(tài)優(yōu)化除塵的效果，大幅提升除塵的良率。
據(jù)介紹，深圳市中基自動化股份有限公司成立于2004年，一直專注于深耕鋰電自動化領(lǐng)域。其總部位于深圳，目前在深圳、蘇州和武漢設(shè)有研發(fā)中心，在深圳和襄陽分別建立了制造中心。公司目前涵蓋軟包、圓柱和方形鋁殼等全系列產(chǎn)品，并主要針對中段的自動化組裝線以及后段的化成分容，提供相應(yīng)的解決方案。
目前深圳中基有400多項知識產(chǎn)權(quán)，研發(fā)人員占公司總?cè)藬?shù)30%以上。公司建立了激光實驗室，可以滿足行業(yè)內(nèi)激光焊接、清洗等一系列需求。另外，公司還開發(fā)了相應(yīng)的基智云系統(tǒng)，提供數(shù)字智能解決方案，包括數(shù)字孿生車間、數(shù)字生產(chǎn)線以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、分析的解決方案。
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