锂电池电芯生产的关键工艺及设备.docx

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1、锂电池电芯生产的关键工艺及设备目录1.锂电池电芯生产的过程22.锂电池电芯生产的关键工艺及设备31. 1.锂电后段工艺流程：分容化成是核心环节32. 2.锂电PaCk工艺：看似简单但需要与系统性设计结合32. 3.磷酸铁锂和三元：能量密度绕不开的话题，不同材料需要全套设备投资4?锂电池生产制造流程及核心设备5?生产流程5?前段：打造涂覆有正负极活性物质的极片5?前段工序5?涂布机6?棍压机7?分切机8?中段：完成电芯的卷绕和注液9?工序9?卷绕机9?我片机10?后段：化成分容及测试分选设备10?工序10?化成分容11?锂电设备行业特点12?定制化研发，毛利率普遍较高12?以销定产，存货中库存商

2、品少，发出商品占比高12?高效率、一体化趋势增强13?锂电设备行业进入门槛较高13?资金门槛13?自动化率门槛13?客户粘性门槛14?技术积累门槛14?行业国产化率提升，中后段设备盈利水平相对较高14?行业国产化率提升14?中后段设备盈利水平相对较高151 .锂电池电芯生产的过程混料（正负极活性料+导电剂+粘结剂+分散剂）一一涂布-辐压分切-极耳焊接-卷绕（或则垫片上贴胶纸一入电芯外壳-焊接-封口化成等；基本整个行业电池生产工艺差不多，主要的差别就是设备的不同或则电池产品不同，如软包一般叠片，圆柱卷绕，方形卷绕和叠片共存；导致电芯在卷绕过程中不一样；最重要最核心的技术在混料和涂布，还有最终的化

3、成；锂电池的生产工艺比较复杂，主要生产工艺流程主要涵盖电极制作的搅拌涂布阶段（前段）、电芯合成的卷绕注液阶段（中段），以及化成封装的包装检测阶段（后段），价值量（采购金额）占比约为（3540%）:（3035）%:（3035）%。据涂布在线了解，差异主要来自于设备供应商不同、进口/国产比例差异等，工艺流程基本一致，价值量占比有偏差但总体符合该比例。锂电生产前段工序对应的锂电设备主要包括真空搅拌机、涂布机、根压机等；中段工序主要包括模切机、卷绕机、叠片机、注液机等；后段工序则包括化成机、分容检测设备、过程仓储物流自动化等。除此之外，电池组的生产还需要PaCk自动化设备。锂电池前端工艺的结果是将锂电

4、池正负极片制备完成，其第一道工序是搅拌，即将正、负极固态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，高质量搅拌是后续涂布、辑压工艺高质量完成的基础。涂布和辐压工艺之后是分切，即对涂布进行分切工艺处理。如若分切过程中产生毛刺则后续装配、注电解液等程序、甚至是电池使用过程中出现安全隐患。因此锂电生产过程中的前端设备，如搅拌机、涂布机、辑压机、分条机等是电池制造的核心机器，关乎整条生产线的质量，因此前端设备的价值量（金额）占整条锂电自动化生产线的比例最高，约35%。锂电池制造过程中，中段工艺主要是完成电池的成型，主要工艺流程包括制片、极片卷绕、模切、电芯卷绕

5、成型和叠片成型等，是当前国内设备厂商竞争比较激烈的一个领域，占锂电池生产线价值量约30%。目前动力锂电池的电芯制造工艺主要有卷绕和叠片两种，对应的电池结构形式主要为圆柱与方形、软包三种，圆柱和方形电池主要采用卷绕工艺生产，软包电池则主要采用叠片工艺。圆柱主要以18650和26650为代表（TeSIa单独开发了21700电池、正在全行业推广），方形与软包的区别在于外壳分别采用硬铝壳和铝塑膜两种，其中软包主要以叠片工艺为主，铝壳则以卷绕工艺为主。据了解，软包结构形式主要面向中高端数码市场，单位产品的利润率较高,在同等产能条件下，相对利润高于铝壳电池。由于铝壳电池易形成规模效应，产品合格率及成本易于

6、控制，目前二者在各自市场领域均有可观的利润，在可以预见的未来，二者都很难被彻底取代。由于卷绕工艺可以通过转速实现电芯的高速生产，而叠片技术所能提高的速度有限，因此目前国内动力锂电池主要采用卷绕工艺为主，因此卷绕机的出货量目前大于叠片机。卷绕和叠片生产对应的前道工序为极片的制片和模切。制片包括对分切后的极片7极耳焊接、极片除尘、贴保护胶纸、极耳包胶和收卷或定长裁断，其中收卷极片用于后续的全自动卷绕，定长裁断极片用于后续的半自动卷绕；冲切极片是将分切后的极片卷绕冲切成型，用于后续的叠片工艺。在锂电封装焊接方面，联赢、大族、光大的主流激光技术集成应用厂家均有所涉及，能够满足需求、无需进口。2 .锂电

7、池电芯生产的关键工艺及设备2.1. 锂电后段工艺流程：分容化成是核心环节锂电后段生产工艺主要为分容、化成、检测和包装入库四道工序，占生产线价值量约35%。化成和分容作为后段工艺中最主要环节，对成型的电池进行激活检测，由于电池的充放电测试周期长，因此设备的价值量最高。化成工艺的主要作用在于将注液封装后的电芯充电进行活化，分容工艺则是在电池活化后测试电池容量及其他电性能参数并进行分级。化成和分容分别由化成机和分容机通常由自动化分容化成系统完成。2. 2.锂电PaCk工艺：看似简单但需要与系统性设计结合动力电池组系统是将众多单个的电芯通过串、并联的方式连接起来的电池组，综合了动力和热管理等电池硬件系

8、统。PaCk是动力电池系统生产、设计应用的关键，是连接上游电芯生产和下游整车的应用核心环节，通常设计需求由电芯厂或汽车厂提出，通常由电池厂、汽车厂或者第三方PaCk厂完成。锂电池PaCk产线相对简单，核心工序包括上料、支架粘贴、电焊、检测等工艺，核心设备为激光焊接机以及各类粘贴检测设备。据涂布在线了解，目前各大锂电设备厂商在此领域的自动化集成布局较少，而大族激光、联赢激光等激光设备厂商由于在激光领域的绝对优势，在Pack设备领域占有率较高。目前PaCk生产的自动化比例相对较低，是因为目前的新能源车单款车销量都不够大，上自动化生产线的成本较高。2.3. 磷酸铁锂和三元：能量密度绕不开的话题，不同

9、材料需要全套设备投资目前国内主流动力锂电池的正极材料分为磷酸铁锂和三元两大种类。其中磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料，其循环寿命通常在2000次以上，再加上由于产业成熟而带来的价格和技术门槛的下降，使得很多厂商出于各种因素考虑都会采用磷酸铁锂电池。然而磷酸铁锂电池在能量密度方面则存在明显的缺陷，目前磷酸铁锂电池龙头比亚迪磷酸铁锂单体电芯能量密度为150Wh,2017年底比亚迪预计将能量密度提升到160Wh,理论上磷酸铁锂能量密度很难超过200Gwho三元聚合物锂电池是指正极材料使用银钻锦酸锂的锂电池，银钻锦的实际比例可以根据具体需要进行调整。由于三元锂电池具备更高的能量密度（目前宁德时

10、代等动力电池一流大厂三元锂电池能量密度普遍能达到200Whkg-220Whkg,业内预计到2023年三元电池单体电芯能量密度将达到300Whkg的水平），乘用车市场开始转向三元锂电池，而在安全性要求更高的客车上，磷酸铁锂则更受青睐。随着全电动乘用车的发展，三元锂电池正在占据越来越重要的位置。两种材料的能量密度和成本有差异，不同的汽车、不同的车企有不同的选择。据涂布在线了解，二者在生产工艺流程上大致相同，区别主要体现在材料的使用和配比上不同、具体工艺参数差异较大，设备无法共线生产，且单纯改造切换产能的成本较高（三元材料对真空除湿等要求严格，之前的磷酸铁锂生产线基本没有除湿要求），因此多家电芯厂在

11、产能规划中会同时布局、分别采购设备。?.锂电池生产制造流程及核心设备?.1.生产流程锂电池的生产工艺分为前、中、后三个阶段，前段工序的目的是将原材料加工成为极片，核心工序为涂布；中段目的是将极片加工成为未激活电芯；后段工序是检测封装，核心工序是化成、分容。锂电设备按照电池生产制造流程，划分为前段设备、中段设备、后段设备。前段设备价值占比约40%,其中涂布机价值占75%,辐压机价值大于分切机。三元材料对前段设备的性能要求更高，前段设备价值占比会逐步增加。中段设备价值占比约30%,其中卷绕机价值占比70%。目前卷绕机市场集中度较高，CR3达至J60%-70%0卷绕机高端市场受到韩国KoEM和日本C

12、KD的竞争，国内高端市占率50%。后段设备价值占比约30%,其中化成分容系统占70%,组装占30%。?.2,前段：打造涂覆有正负极活性物质的极片?.2.1.前段工序前段工序主要包括浆料搅拌、正负极涂布、辐压、分切、极片制作和模切。搅拌：先使用锂电池真空搅拌机，在专用溶剂和黏结剂的作用下，混合粉末状的正负极活性物质，经过高速搅拌均匀后，制成完全没有气泡的浆状正负极物质。涂布：将制成的浆料均匀涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正、负极极片。相压：辐压机通过上下两根相向运行产生的压力，对极片的涂布表面进行挤压加工，极片受到高压作用由原来蓬松状态变成密实状态的极片，相压对能量密度的明显相当关键。分切：

13、将辐压好的电极带按照不同电池型号，切成装配电池所需的长度和宽度，要求在切割时不出现毛刺。?.2.2.涂布机涂布的主要目的是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料，均匀地涂覆在正负极表面上。其对锂电池的重要意义主要体现在一致性、循环寿命、安全性三方面。在涂布过程中，若极片前、中、后三段位置正负极浆料涂层厚度不一致，或者极片前后参数不一致，则容易引起电池容量过低或过高，且可能在电池循环过程中形成析锂，影响电池寿命。涂布过程要严格确保没有颗粒、杂物、粉尘等混入极片中，如果混入杂物会引起电池内部微短路，严重时导致电池起火爆炸。因此为使中段的卷绕工艺能尽可能粗细均匀、紧密，要求正负极的涂布误差尽可能小，涂布

14、机的先进程度会直接影响电池化学性能的优劣，以及最终产品的良品率（电池厂家通常要求在99%以上）。涂布机是前段工序的核心设备。涂布机经历了三种结构类型的演化，依次是刮刀式、转移式、狭缝挤压式涂布。刮刀式主要应用于实验室条件下；转移式涂布主要应用于3C电池的生产；狭缝式挤压涂布主要应用于动力电池，近几年该类型由于动力电池生产需求的爆发而快速增加。挤压涂布技术作为这三种中最先进的技术，可以用于较高粘度流体涂布，获得较高精度的涂层。将涂布机的结构分拆来看，涂布头的设计对涂布精度有极为重要的影响，这类高精度控制的核心零部件尚需要进口。涂布机当前的国产化率较高，达到70%-80%以上，但高端产品的涂布头仍

15、主要有国外提供，如龙头新嘉拓的涂布头曾主要由松下提供。涂布机设备的技术先进程度主要考察四个方面：涂布技术，张力技术，纠偏技术，干燥技术。涂布技术需要满足不同厚度的生产要求，现在正极锂电铝箔厚度已经薄至68微米，负极锂电铜箔厚度已经薄至4.56微米，隔膜涂布也只有几个微米，石墨烯涂布甚至更薄，不同的厚度还需要针对客户开发不同的涂布方法，保证对浆料的涂布厚度精度控制在2微米以下。张力技术，由于幅材沿着涂布方向运动不可避免地出现张力不均匀状态，导致涂布质量缺乏一致性，因此需要确保片路运行过程中各段均有良好的张力控制。纠偏技术，由于涂布设备长度多在数十米，片路运行过程中会出现位置偏差，为了保证无论是铜膜铝膜还是很薄的隔膜都能在片路上平稳有效地运行，并实现精密涂布，需要选用不同的驱动形式配合响应的控制系统来纠偏。干燥技术，涂布生产的速度瓶颈在于烘干干燥，最直接的手段是加长风箱,但会带来成本和占地增加，加强之后还需要增强纠偏和张力控制，要想进一步改善干燥效率就需要改进风场的控制，温度场的控制，布局形式，尽量在保证涂布速度的