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疊片電池制片工藝獲突破!皮秒激光技術(shù)解決正極極片模切難題
發(fā)布時(shí)間:2022-09-21 15:51:17

不久前,困擾行業(yè)許久的正極極片切割工藝有了質(zhì)的突破。東莞市盛雄激光先進(jìn)裝備股份有限公司重磅發(fā)布了300W大功率皮秒激光正極極片制片機,經(jīng)過(guò)一年多市場(chǎng)驗證,已證實(shí)能夠高效、穩定地進(jìn)行動(dòng)力電池正極極片切割,能夠幫助企業(yè)實(shí)現提質(zhì)、降本。同時(shí),盛雄激光也是目前唯一一家能用激光技術(shù)解決正極極片量產(chǎn)的企業(yè)。


疊片工藝VS卷繞工藝


近幾年,隨著(zhù)新能源市場(chǎng)的火熱,動(dòng)力電池裝機量逐年提升,其設計理念及加工工藝也在不斷改進(jìn),其中關(guān)于電芯的卷繞工藝、疊片工藝的討論從未停止過(guò)。目前市場(chǎng)上主流的是效率更高、成本更低、應用更成熟的卷繞工藝,但這種工藝難以控制電芯之間的熱隔離,容易導致電芯局部過(guò)熱,存在熱失控蔓延的風(fēng)險。


相比之下,疊片工藝可以更好的發(fā)揮大型電芯優(yōu)勢,其在安全性、能量密度、工藝控制均比卷繞占據優(yōu)勢。此外,疊片工藝可以更好控制電芯良率,在用戶(hù)對新能源車(chē)續航里程越來(lái)越高的趨勢下,疊片工藝高能量密度的優(yōu)勢更有前景。目前,動(dòng)力電池頭部廠(chǎng)家均對疊片工藝進(jìn)行研究和生產(chǎn)。


對新能源汽車(chē)的潛在車(chē)主而言,里程焦慮無(wú)疑是影響他們做出購車(chē)選擇的關(guān)鍵因素之一。尤其是充電設施不完善的城市,對長(cháng)續航的電動(dòng)汽車(chē)有著(zhù)更迫切的需求。目前,純電的新能源汽車(chē)官方公布的續航里程普遍在300-500公里,真實(shí)續航視氣候、路況,往往會(huì )在官方公布的基礎上打折。能否提高真正的續航里程,與動(dòng)力電池的能量密度息息相關(guān),疊片工藝也因此更具競爭力。


然而,由于疊片工藝較為復雜,且有諸多技術(shù)難點(diǎn)需要解決,一定程度上制約了這一工藝的普及。其中一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn),便是模切和疊片過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺、粉塵容易造成電池短路,存在巨大的安全隱患。再加上正極材料是電芯中的成本占比最高的部分(磷酸鐵鋰正極極片占電芯成本的40%-50%,三元鋰正極極片成本占比更高),若不能找到高效、穩定的正極極片加工方式,將給電池制造商造成極大的成本浪費,并制約疊片工藝的進(jìn)一步發(fā)展。


五金模切現狀——高耗材低上限


目前,在疊片工藝前的模切工序上,市面上普遍采用五金模具沖切,利用沖頭和下刀模極小的間隙對極片進(jìn)行裁切。這種機械工藝發(fā)展歷史悠久,應用相對成熟,但機械咬合帶來(lái)的應力往往會(huì )讓被加工材料存在一些不良表征,如塌角、毛刺等。


為避免出現毛刺,五金模具沖切在調刀時(shí)要根據極片的性質(zhì)和厚度,尋找最合適的側向壓力和刀具重疊量,經(jīng)過(guò)多輪測試才能啟動(dòng)批量加工。更重要的是,五金模具沖切在長(cháng)時(shí)間工作后會(huì )出現刀具磨損及材料粘刀問(wèn)題,引起工藝不穩定,導致極片裁切品質(zhì)變差,最終導致電池良率下降,甚至出現安全隱患。動(dòng)力電池廠(chǎng)商為避免出現隱患,往往每3-5天就會(huì )換一次刀。盡管廠(chǎng)家公布的刀具使用壽命可能是7-10天,或能切100萬(wàn)片,但電池廠(chǎng)為避免成批次出現不良品(不良則需要成批次報廢),往往都會(huì )提前換刀,而這會(huì )帶來(lái)巨大的耗材成本。


除此之外,如前文所說(shuō),為提高車(chē)輛續航里程,電池廠(chǎng)一直在努力提高電池能量密度。據業(yè)內人士透露,要提升單體能量密度,在現有的化學(xué)體系下,化學(xué)手段對單體能量密度的提升基本已經(jīng)觸及天花板,只能通過(guò)壓實(shí)密度和極片厚度這兩塊做文章。而壓實(shí)密度提高、極片厚度增加無(wú)疑會(huì )更傷刀具,這意味著(zhù)更換刀具的時(shí)間還要再度縮短。


此外,隨著(zhù)電池尺寸加大,用于進(jìn)行模切的刀具也要做得更大,但刀具變大無(wú)疑會(huì )降低機械運轉的速度,降低裁切效率??梢哉f(shuō),長(cháng)期穩定的品質(zhì)、高能量密度趨勢、大尺寸極片切割效率三大因素決定了五金模切工藝上限,這種傳統工藝將難以適應未來(lái)的發(fā)展。


皮秒激光解決方案 攻克正極模切難題


激光技術(shù)的快速發(fā)展讓人們看到了其在工業(yè)加工中的潛力,尤其是3C行業(yè)已經(jīng)充分證明了激光在精密加工中的可靠性。然而,早期人們嘗試用納秒激光進(jìn)行極片切割,但由于納秒激光加工后熱影響區及毛刺較大,無(wú)法滿(mǎn)足電池廠(chǎng)商的需求,因此這一工藝未能大規模推廣。但據筆者調研發(fā)現,目前已有企業(yè)提出了全新的解決方案并取得一定成果。


今年8月初舉辦的廣州電池展上,東莞市盛雄激光先進(jìn)裝備股份有限公司重磅發(fā)布了300W大功率皮秒激光正極極片制片機。從技術(shù)原理上來(lái)說(shuō),皮秒激光由于脈寬極窄,能夠依靠自身極高的峰值功率,使材料瞬間氣化。與納秒激光的熱加工不同,皮秒激光屬于氣化消融或改質(zhì)加工,熱效應微乎其微,不產(chǎn)生融珠,加工邊緣整齊,打破了納秒激光熱影響區及毛刺較大的困局。



可以說(shuō),皮秒激光的模切工藝,恰恰解決了目前五金模切存在的諸多痛點(diǎn),讓占據電芯成本最大比重的正極極片切割工序有了質(zhì)的提升。筆者將提升的關(guān)鍵點(diǎn)總結如下:


1.品質(zhì)及良率


前文提到,五金模切是利用機械咬合的原理,切角易存在缺陷,需要反復調試。且機械刀具使用時(shí)間長(cháng)后會(huì )出現磨損,導致極片出現毛刺,從而影響整個(gè)批次的電池良率。同時(shí),為提升單體能量密度,極片的壓實(shí)密度提高、厚度增加也會(huì )加劇裁刀的損耗。


而300W大功率皮秒激光加工品質(zhì)穩定,能夠長(cháng)期穩定工作,即便材料加厚也不會(huì )造成設備損耗。據筆者了解,這款以皮秒激光為核心的正極極片制片機去年就已完成研發(fā)并進(jìn)廠(chǎng)測試,在一年多的試生產(chǎn)過(guò)程中,從常規厚度120μm、160μm,一直切到200μm、220μm、250μm,成品均無(wú)毛刺,均能滿(mǎn)足疊片工藝的要求。據統計,使用300W大功率皮秒激光進(jìn)行極片模切良率達99.9%、尺寸精度≤±70um。


疊片電池制片工藝獲突破!皮秒激光技術(shù)解決正極極片模切難題

正極極片切割效果


疊片電池制片工藝獲突破!皮秒激光技術(shù)解決正極極片模切難題

AT9陶瓷切割截面效果


2.綜合效率


從機器的直接生產(chǎn)效率來(lái)看,300W大功率皮秒激光正極極片制片機每小時(shí)制片量與五金模切制片機基本處于同一水平,但考慮到五金機械每三五天需要換一次刀,而換刀必將導致產(chǎn)線(xiàn)全線(xiàn)停工,換刀后還需重新調試,每次換刀意味著(zhù)幾小時(shí)的停工。全激光高速制片則節約了換刀時(shí)間,綜合效率更勝一籌。


3.柔性化


對動(dòng)力電池廠(chǎng)而言,一條疊片產(chǎn)線(xiàn)往往會(huì )承載不同型號電池的生產(chǎn)任務(wù)。每次換型,都會(huì )為五金模切設備多花費幾天時(shí)間,考慮到有些電池還有沖角需求,將會(huì )進(jìn)一步延長(cháng)換型時(shí)間。


而激光工藝沒(méi)有換型的煩惱。無(wú)論是外形變化還是尺寸變化,激光都能“一切了之”。需要補充的是,在裁斷工序上,如果將590的產(chǎn)品換成960、甚至1200的產(chǎn)品,對五金模切而言需要換大刀,而激光工藝只需要加1-2個(gè)光路系統,裁斷效率不會(huì )受影響??梢哉f(shuō),不論是換型量產(chǎn),還是小規模試樣,激光的柔性化優(yōu)勢都突破了五金模切的上限,能為電池廠(chǎng)家節省大量時(shí)間。


4.綜合成本低


盡管五金模具沖切工藝是目前極片分切的主流工藝,且初期采購成本較低,但需要經(jīng)常修模、換模,且這些維護動(dòng)作都要導致產(chǎn)線(xiàn)停工,耗費更多工時(shí)。相比之下,皮秒激光解決方案無(wú)其他耗材,后續維護成本極低。


據測算,以590尺寸/160um厚度磷酸鐵鋰正極極片裁切為例,采購皮秒激光設備第一年的成本高于傳統五金設備,但第二年二者投入的成本基本持平,等設備投產(chǎn)到第五年時(shí),皮秒激光設備的總成本比傳統五金設備的成本還要低700萬(wàn)元!


值得一提的是,盛雄激光這款設備所用的激光器為全自主研發(fā),核心光電零部件自主可控,不會(huì )因國際局勢動(dòng)蕩而存在斷貨風(fēng)險。


長(cháng)久來(lái)看,在鋰電正極極片切割領(lǐng)域,皮秒激光解決方案有望能完全替代目前的五金模切工藝,并成為推動(dòng)疊片工藝普及的關(guān)鍵點(diǎn)之一,恰如“極片模切的一小步,疊片工藝的一大步”。當然,新產(chǎn)品的問(wèn)世仍需經(jīng)過(guò)工業(yè)化驗證,皮秒激光的正極模切方案能否讓各大電池制造商認可,皮秒激光是否能夠真正徹底解決傳統工藝帶給用戶(hù)的困擾,讓我們拭目以待。


稿件來(lái)源: OFweek鋰電網(wǎng)
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