久鉅智能朱效銘：全極耳大圓柱電池2025年滲透率或達(dá)到16%
“隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，汽車的技術(shù)和成本將成為市場競爭的主要要素，以特斯拉為代表的車企，采用全極耳大圓柱鋰電池為動(dòng)力電池，其特點(diǎn)是具有產(chǎn)品一致性好、能量密度高、生產(chǎn)成本低、安全性能好、快充性能優(yōu)、電池性價(jià)比高的優(yōu)勢。”日前，寧波久鉅智能裝備有限公司董事長(簡稱“久鉅智能”)朱效銘在電池中國網(wǎng)于上海舉辦的“Li+學(xué)社技術(shù)大講堂(第20期)”上如是說道。
圖為寧波久鉅智能裝備有限公司董事長朱效銘作主題分享
本期Li+學(xué)社技術(shù)大講堂聚焦“大圓柱電池的潛在優(yōu)勢與挑戰(zhàn)”，作為大圓柱鋰電裝備工藝研發(fā)生產(chǎn)配套企業(yè)，久鉅智能董事長朱效銘以“全極耳大圓柱鋰電池現(xiàn)狀與趨勢”為題，向與會(huì)技術(shù)大咖詳細(xì)介紹了當(dāng)前大圓柱制造工藝方面的痛點(diǎn)及其解決方案。
朱效銘談道，由于大圓柱鋰電池具有組裝生產(chǎn)線效率高，投資少的優(yōu)勢;其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，配件與加工成本低，電池包組裝應(yīng)用靈活，可適合各種車型，且全極耳結(jié)構(gòu)在容量上可以像方型和軟包鋰電池一樣做大做長，所以發(fā)展前景非常廣闊，“全極耳大圓柱鋰電池將是未來動(dòng)力電池的主流產(chǎn)品，是動(dòng)力電池的終極技術(shù)方向之一。”
事實(shí)上，在特斯拉、寶馬、通用、蔚來等主機(jī)廠帶動(dòng)下，電池企業(yè)紛紛加碼大圓柱研發(fā)和產(chǎn)能布局。據(jù)了解，目前包括寧德時(shí)代、億緯鋰能、國軒高科、比克電池、遠(yuǎn)景動(dòng)力、蜂巢能源、比亞迪，以及松下電池、LG新能源、三星SDI等國內(nèi)外電池企業(yè)均已在大圓柱領(lǐng)域重點(diǎn)投入。機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2025年，46系列大圓柱電池總裝機(jī)有望達(dá)到200GWh，當(dāng)年裝機(jī)滲透率或?qū)⑦_(dá)到16%。
大圓柱電池引起產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注，主要得益于全極耳技術(shù)的創(chuàng)新突破和應(yīng)用。據(jù)朱效銘介紹，傳統(tǒng)圓柱電池通過單極耳或雙極耳來實(shí)現(xiàn)電流收集，由于電阻的存在，電池在充放電的過程中，特別是大電流充放電的過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的歐姆熱，引起電池溫度的升高;大圓柱電池采用全極耳技術(shù)，即整個(gè)集流體都變成極耳，導(dǎo)電路徑不再依賴傳統(tǒng)意義上的極耳，全極耳技術(shù)將電子的傳輸路徑從沿極耳到集流盤的橫向傳輸變?yōu)榧黧w縱向傳輸，將電子傳輸路徑平均長度從銅箔長度(21700電池銅箔長度約1000mm)降低到電池高度 (80mm)從而將電池內(nèi)阻降低一個(gè)數(shù)量級。
值得注意的是，全極耳大圓柱電池當(dāng)前也面臨著諸多工藝難點(diǎn)，如極耳揉平、焊接、注液、封口和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。朱效銘表示，上述工序難點(diǎn)直接影響了大圓柱電池的良品率，也影響著生產(chǎn)效率。
“極耳揉平過程中容易產(chǎn)生碎片，揉平是全極耳大圓柱電池的主要瓶頸之一。”據(jù)朱效銘介紹，目前全極耳揉平主要有三種工藝：
第一種是以特斯拉為代表的的工藝技術(shù)，將極片留白處進(jìn)行極耳分切，然后邊預(yù)折彎邊卷繞，再進(jìn)行揉平。該工藝極耳排列整齊，電流輸出均勻性好，但缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、焊接困難、易焊穿等。
第二種為超聲波揉平工藝。優(yōu)點(diǎn)是極耳損傷少。但缺點(diǎn)是揉平后極耳形狀一致性差。
第三種為機(jī)械揉平工藝。優(yōu)點(diǎn)是揉平方式簡單、效率高、一致性好、易焊接、不易焊穿，集流圈與極耳焊接良好，但缺點(diǎn)是目前的機(jī)械揉平工藝易產(chǎn)生碎片。“如果能研發(fā)點(diǎn)出一種微損或無損的揉平結(jié)構(gòu)，是可以實(shí)現(xiàn)高效、無損的。”朱效銘補(bǔ)充道。
全極耳焊接方面，朱效銘指出，焊接工藝是全極耳大圓柱電池制造的重中之重，因?yàn)槠渌泄に嚩际菄@焊接展開的，主要涉及到正極極耳與正極集流圈焊接、負(fù)極極耳與負(fù)極集流焊接、正極集流柱與正極集流圈焊接、正極集流柱與正極集流圈焊接，以及負(fù)極相關(guān)部件的焊接。
焊接工藝方面分為：激光焊接、超聲波焊接和電阻焊接三種，每種焊接方法均與相應(yīng)的工藝和材料相匹配。目前以激光焊接為主，相比于電阻焊與超聲波焊接，其應(yīng)用場景廣，自動(dòng)化程度高。
封口工藝方面，主要有兩種：滾槽式卷邊封口和焊接封口。朱效銘表示，焊接封口強(qiáng)度可以達(dá)到要求，且電池容量高，但是效率相當(dāng)?shù)?而滾槽式卷邊封口效率可以達(dá)到300ppm，但在電池容量上會(huì)有所損失。
正極集流柱與外殼組裝工藝方面，據(jù)朱效銘介紹，主要有兩種：一種是目前國內(nèi)通用的，特斯拉也在用的鉚接工藝。該工藝特點(diǎn)是鉚接強(qiáng)度較高，但與正極集流盤焊接較難，組裝效率低。
另一種是由久鉅智能自主研發(fā)設(shè)計(jì)的，電池正極端子與鋼殼的連接方式，不采用鉚接工藝，提供一種新的結(jié)構(gòu)選擇。
注液孔及其封口工藝方面，大圓柱鋰電池由于其容量大，化成過程會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，且化成過程電液消耗也較大，為確保電池內(nèi)部零氣壓，同時(shí)也考慮補(bǔ)充電解液的需要，采用先注液后化成再密封的生產(chǎn)工藝。與傳統(tǒng)的18650等電池不同，大圓柱鋰電池組裝后，留有注液口，注液完成后預(yù)封口，待電池化成后放氣和二次注液后(二次注液工序可選) 再封口。
目前大圓柱電池的注液孔設(shè)計(jì)方案基本為以下三種：一是，以特斯拉為代表的注液孔設(shè)計(jì)在負(fù)極底蓋中心，注液完成后用密封釘或密封球進(jìn)行密封。該工藝效率高，但電池的防漏性能有待探討。
第二種是國內(nèi)企業(yè)普遍采用的注液孔工藝，基本設(shè)計(jì)在正極端平面?zhèn)确剑捎妹芊忉敾蚝附用芊狻Ｔ摴に囎⒁盒瘦^低。
第三種是久鉅智能自主研發(fā)設(shè)計(jì)的，將注液孔設(shè)計(jì)在正極端的集流柱中心。該注液孔工藝正極集流盤焊接簡便，防漏性能好。
總之，大圓柱電池有諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是在效率與產(chǎn)品安全方面優(yōu)于方型結(jié)構(gòu)。但在汽車應(yīng)用上，其空間利用率還有待于提高，希望能夠通過電池材料與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，進(jìn)一步提高電池容量與效率，彌補(bǔ)其空間利用率的不足。
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