過(guò)去十幾年，鋰電產(chǎn)業(yè)從半自動(dòng)到單機(jī)自動(dòng)化，再逐步走向全自動(dòng)和智能化。在這個(gè)過(guò)程中電池制造工藝幾乎沒(méi)有大的變化，但隨著電池需求量每年超過(guò)100%的持續(xù)猛增和電池材料（全國(guó)鋰電池正極材料制備與實(shí)驗(yàn)室儀器裝備）體系的不斷升級(jí)，電池制造工藝必然面臨升級(jí)，來(lái)適應(yīng)制造規(guī)模和電池體系的改變。相應(yīng)的，電池裝備作為鋰電池產(chǎn)業(yè)的“母雞”，也迎來(lái)了實(shí)現(xiàn)突破的新機(jī)遇。
制造工藝及裝備發(fā)展趨勢(shì)
未來(lái)儲(chǔ)能電池發(fā)展趨勢(shì)會(huì)由單個(gè)小電芯向更大容量方向發(fā)展，鋰電設(shè)備要保證這種大電芯制造精度，高的制造效率，在機(jī)構(gòu)放大，兼容性提高的同時(shí)，對(duì)零部件的加工精度，組件的裝配精度做相應(yīng)的提升。
要解決鋰電的大規(guī)模制造問(wèn)題，首先要提升設(shè)備的效率。鋰電設(shè)備的生產(chǎn)效率主要從兩個(gè)方面去解決，一個(gè)是提高設(shè)備的生產(chǎn)速度，用更快、更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及控制方法；另一個(gè)方面是降低設(shè)備動(dòng)作所消耗的時(shí)間，即輔助時(shí)間。
典型設(shè)備以深圳吉陽(yáng)智能開(kāi)發(fā)的隔膜連續(xù)卷繞機(jī)為例，原來(lái)每個(gè)電芯要先加速，送片到最高卷繞速度，然后卷繞減速、停止、切斷隔膜、穿針、再進(jìn)行下一個(gè)電芯卷繞；改進(jìn)后，隔膜不減速，采用飛切機(jī)構(gòu)切斷隔膜，在極片減速過(guò)程中提前切斷，這降低了極片、隔膜切斷過(guò)程耗時(shí)，將輔助時(shí)間縮短至接近為零，整體節(jié)拍提升30-60%（與極片長(zhǎng)度有關(guān)）。又如極耳模切機(jī)，從原來(lái)的激光模切速度80-120m/min，目前已提升到200m/min。
由此看，鋰電制造設(shè)備的更新迭代向著大規(guī)模、高精度、高可靠、一體智能化的方向發(fā)展。
從鋰電制造工藝優(yōu)化方面上看，集成化一體智能化設(shè)備相對(duì)于單機(jī)而言，其生產(chǎn)穩(wěn)定性高，自動(dòng)化程度更高，對(duì)生產(chǎn)工藝的過(guò)程適應(yīng)能力更全面、更強(qiáng)大。同時(shí)集成一體智能化設(shè)備也為制造企業(yè)減少用人用地成本，減短工序銜接的同時(shí)降低物料的損耗等起到關(guān)鍵作用。
材料技術(shù)與制造技術(shù)深度融合
縱觀電池制造過(guò)程是從納米級(jí)別尺度材料加工操作到米級(jí)別裝置生產(chǎn)、加工的過(guò)程，過(guò)去鋰電制造主要集中在基于牛頓力學(xué)的設(shè)備制造效率、制造質(zhì)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、慣量、摩擦、阻力等參數(shù)，相對(duì)而言這些控制是宏觀的，過(guò)程的可見(jiàn)性和可觀測(cè)性都比較容易把控。
基于電池是內(nèi)部在電場(chǎng)作用下離子遷移的過(guò)程，而外部體現(xiàn)的是電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程，這樣的過(guò)程決定必須從微觀的角度，用量子力學(xué)的方法來(lái)管控電池生產(chǎn)、使用的過(guò)程，考慮電池生產(chǎn)及制成后結(jié)構(gòu)和組成的演變，電子、離子的輸運(yùn)行為，界面問(wèn)題和性能尺度效應(yīng)對(duì)電池的影響，電池在充放電過(guò)程界面的變化，過(guò)程的性能及尺度變化，要考慮內(nèi)部分子、離子間的耦合效應(yīng)、溫度效應(yīng)和形位體積變化，進(jìn)而控制電池的安全、自放電、循環(huán)壽命、能量密度和功率密度。
這就需要更多的從微觀角度考慮制造過(guò)程熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)（離子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)、電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)、反映動(dòng)力學(xué)、相變動(dòng)力學(xué)等）和穩(wěn)定性。
然而，這些復(fù)雜過(guò)程的管控在制造方面目前沒(méi)有完整的理論模型，這是多物理場(chǎng)耦合，多元、異構(gòu)數(shù)據(jù)，多尺度控形、控性的內(nèi)在規(guī)律問(wèn)題和海量數(shù)據(jù)管理問(wèn)題；能夠采取的方法是基于定性趨勢(shì)分析和大數(shù)據(jù)建模的機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化建模方法，用量子力學(xué)理論，摸清電池內(nèi)在科學(xué)規(guī)律，進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化、決策和控制，建立分析方法、評(píng)價(jià)手段，達(dá)到電池制造的可重構(gòu)、大規(guī)模、定制化；最終解決離子遷移、發(fā)熱與傳熱、內(nèi)部壓力管控，實(shí)現(xiàn)過(guò)程形變、SEI膜、鋰枝晶控制等問(wèn)題。如圖1儲(chǔ)能電池制造過(guò)程機(jī)理管控。
圖1 儲(chǔ)能電池制造過(guò)程機(jī)理管控
制造一體化及制造原理改變
前面是從微觀量子的角度探討電池制造要考慮的微觀問(wèn)題，在宏觀和微觀之間針對(duì)鋰離子電池內(nèi)耦合電化學(xué)反應(yīng)的多物理場(chǎng)管控的過(guò)程，用廣義態(tài)變量(諸如無(wú)量綱數(shù)、粒子密度、晶格缺陷密度、粒子速度等)對(duì)電池電化學(xué)過(guò)程進(jìn)行量化表述。
采用多向流動(dòng)的光滑粒子動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，開(kāi)發(fā)可以考慮電極介觀微結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，模擬得到放電過(guò)程中電池內(nèi)部離子濃度場(chǎng)，固、液相電勢(shì)場(chǎng)以及轉(zhuǎn)換電流密度等微觀細(xì)節(jié)分布，以及電池宏觀性能如輸出電壓等，據(jù)此可以分析并揭示電池充放電過(guò)程的基礎(chǔ)物理化學(xué)機(jī)制、電池宏觀性能與構(gòu)成電極的固體活性物顆粒尺寸之間的關(guān)聯(lián)。干法極片制造就是在介觀粒子范圍的動(dòng)力學(xué)理論指導(dǎo)下，將電極制造混合、攪拌、涂布、干燥、輥壓等過(guò)程一體化。激光模切卷繞一體化，激光模切疊片一體，后續(xù)組裝工序合并成一個(gè)設(shè)備也是重要的趨勢(shì)。
未來(lái)，我們看到電芯設(shè)備可能只有三臺(tái)，即：極片設(shè)備，組裝設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)然這是未來(lái)，是制造人的理想，需要材料，工藝和設(shè)備的共同努力和進(jìn)步，完全不可能一蹴而就，需要鋰電制造人付出更多的努力和心血。
干電極的主要制備工藝（亦稱“干法涂布”）：選擇非纖維化粘結(jié)劑；球磨非纖維化粘結(jié)劑造粒；混合非纖維化粘結(jié)劑、纖維化粘結(jié)劑和電極活性材料（正極/負(fù)極）等，壓延成膜。為保證物料的塑性，成型過(guò)程中多需要加熱混合物至100℃以上。
特斯拉（Maxwell）使用的非纖維化粘結(jié)劑包括聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素等，使用的纖維化粘結(jié)劑主要是聚四氟乙烯，工藝多采用并行流程。如圖2特斯拉干法極片制造工藝。
圖2 特斯拉干法極片制造工藝
相比于傳統(tǒng)濕法電極工藝，干法以球磨替代攪拌，以壓延替代涂布，并省去了濕法涂布后的烘干過(guò)程，可節(jié)約溶劑、縮短工時(shí)、避免溶劑殘留、降低設(shè)備復(fù)雜度。干法工藝也存在弱點(diǎn)，即難于實(shí)現(xiàn)活性材料的均勻分散，對(duì)鋰電池而非超級(jí)電容電極材料而言尤其如此。
特斯拉（Maxwell）干電極工藝更簡(jiǎn)單，不使用溶劑。該過(guò)程從電極粉末開(kāi)始，將少量（約5-8％）細(xì)粉狀PTFE粘合劑與正極粉末混合，然后將混合的正極粘合劑粉末通過(guò)擠壓形成薄的電極材料帶，將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集流體上形成成品電極。干法制片可以提升極片制造的效率，縮短工藝過(guò)程，為儲(chǔ)能電池大規(guī)模制造開(kāi)創(chuàng)一種新的可能。
制造工藝及電池結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)化
鋰電池制造過(guò)程中的各個(gè)工序段設(shè)備顯著影響電池性能，電池工藝流程的長(zhǎng)短影響著電芯制備的一致性以及可控性。制片和電芯成型工藝精簡(jiǎn)化就是成功的實(shí)例，輥壓分條一體機(jī)、模切卷繞一體機(jī)、模切疊片一體機(jī)這些設(shè)備的誕生，一方面精簡(jiǎn)了工藝，增加了設(shè)備閉環(huán)控制的能力；另一方面減少了原材料運(yùn)輸路線復(fù)雜造成的損失成本，并且節(jié)省人力。
而圍繞電池性能和制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在未來(lái)的電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中將帶來(lái)天翻地覆的變化，如電池殼體形狀、大小以及極柱連接隨性能、制造、連接要求而改變，內(nèi)部集流體、極柱按照電池回收（全國(guó)鋰電池正極材料制備與實(shí)驗(yàn)室儀器裝備）的要求改變等。
寧德時(shí)代與比亞迪同樣也在工藝精簡(jiǎn)化上分別采用不同的CTP方式來(lái)縮短工藝路線。CTP即CELL TO PACK, 跳過(guò)模組提升電池包的體積利用率。寧德時(shí)代CTP電池包里面是包含兩個(gè)以上的電池模組，每個(gè)電池模組里面有多個(gè)電芯和容納這些電芯的框架，將之前的小模組換成了更大的模組。比亞迪CTP又稱GCTP即刀片電池，“無(wú)模組化”程度更高，可以簡(jiǎn)單理解為刀片電池包只用了一個(gè)大模組。如表1 CATL-CTP工藝與BYD-CTP工藝對(duì)比。
表1 CATL-CTP工藝與BYD-CTP工藝對(duì)比
結(jié)語(yǔ)
新能源鋰電應(yīng)用端需求的持續(xù)擴(kuò)大，鋰電龍頭企業(yè)通過(guò)不斷擴(kuò)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；越档统杀?，對(duì)產(chǎn)線工藝、性能、生產(chǎn)效率提出更高要求，鋰電設(shè)備對(duì)鋰電工藝、鋰電的良品率和生產(chǎn)效率的持續(xù)提高起到關(guān)鍵作用，創(chuàng)新能力是電池制造（全國(guó)鋰電池正極材料制備與實(shí)驗(yàn)室儀器裝備）工藝的核心能力，鋰電設(shè)備的更新迭代與鋰電制造技術(shù)的進(jìn)一步突破，需要保持密切合作。
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