深圳中基王磊：開(kāi)啟全極耳圓柱/固態(tài)電池裝備“變革”
2020年特斯拉率先推出全極耳4680大圓柱電池，今年9月其宣布已經(jīng)實(shí)現第1億顆4680電池下線(xiàn)，同時(shí)國內不少頭部企業(yè)也都在積極布局。全極耳技術(shù)在圓柱電池領(lǐng)域風(fēng)起云涌，除了應用于大圓柱外，目前在傳統小圓柱電池上也在加速導入。
另外，作為具有高能量密度和高安全特性的固態(tài)電池，目前也處于初露鋒芒的狀態(tài)，行業(yè)對其給予很大厚望。
圖為深圳市中基自動(dòng)化股份有限公司研究院院長(cháng)王磊演講
在日前舉行的第九屆動(dòng)力電池應用國際峰會(huì )(CBIS2024)“新能源電池數字化與先進(jìn)智造”主題論壇上，深圳市中基自動(dòng)化股份有限公司研究院院長(cháng)王磊應邀出席，并作主題為《電芯組裝段的新質(zhì)生產(chǎn)力變革》的演講。針對全極耳圓柱和固態(tài)兩種電池，深圳中基在設備領(lǐng)域都做了一系列技術(shù)布局和革新。
01
全極耳圓柱電池裝備
“圓柱電池在所有類(lèi)型電池里生產(chǎn)效率最高，最高設計產(chǎn)能可以達到350PPM，常規100PPM、200PPM高速線(xiàn)已經(jīng)非常成熟?！蓖趵诒硎?，相對來(lái)看方型鋁殼電池產(chǎn)線(xiàn)效率目前行業(yè)只能做到20PPM，軟包電池效率在15-20 PPM的水平。所以圓柱電池高一致性和高效率，是其重要的產(chǎn)品競爭力。
在全極耳圓柱電池裝備方面，深圳中基布局有機械滾封線(xiàn)和激光封口線(xiàn)兩種技術(shù)路線(xiàn)，覆蓋小圓柱和大圓柱從10mm-60mm全部的直徑規格，并且具有很高的單線(xiàn)合格率和稼動(dòng)率。這其中運用了不少關(guān)鍵技術(shù)，包括高效傳輸傳動(dòng)技術(shù)、極耳成型技術(shù)、激光焊接技術(shù)、滾槽封口技術(shù)和高效除塵技術(shù)。
高效傳輸傳動(dòng)技術(shù)：將凸輪/轉塔與磁懸浮相結合協(xié)同，具有兼容性好、產(chǎn)線(xiàn)效率高的特點(diǎn)，滿(mǎn)足圓柱電池對高生產(chǎn)效率的需求，最高產(chǎn)能可以達到350PPM。同時(shí)該產(chǎn)線(xiàn)柔性高，模塊化設計周期非常短，換型成本低，而且參數化設計調試難度小，后期維護成本非常低。
極耳成型優(yōu)化技術(shù)：基于模擬仿真分析和缺陷表征，開(kāi)發(fā)了預揉和揉平工藝，來(lái)提高質(zhì)量和來(lái)料兼容能力。王磊介紹，其主要目的是為了提升集流盤(pán)焊接良率。同時(shí)在此過(guò)程中，解決了隔膜損傷以及揉平會(huì )容易外側翻邊的問(wèn)題，目前工藝已經(jīng)在頭部企業(yè)量產(chǎn)線(xiàn)得到實(shí)際驗證。
激光飛行焊接技術(shù)：全極耳電池的焊接尤其是集流盤(pán)焊接，對質(zhì)量一致性要求非常高。既要保證高速旋轉過(guò)程中激光焊接位置精準度，同時(shí)又要保證焊接良率。該設備運用自研的高速旋轉位置高精度動(dòng)態(tài)補償算法，以及自研飛行焊控制系統，配合連續式轉塔機構，既節約成本，同時(shí)又提升效率和質(zhì)量。
“該設備可以用于集流盤(pán)焊接，也可以用于底殼穿透焊接。集流盤(pán)焊接最高速度達到800mm/s，單工位可以滿(mǎn)足120PPM的產(chǎn)能效率。”王磊介紹，實(shí)驗測試顯示，轉盤(pán)達到100度/s高速旋轉中，可實(shí)現整體精準定位，且設備未發(fā)生任何畸變。在靜止狀態(tài)下焊接200次和連續飛轉4小時(shí)不間斷重復焊接，整體偏離非常小，具有高穩定性和一致性。
滾槽風(fēng)口技術(shù)：圓柱電池封口常規有兩種工藝，鋼殼電池通常用滾槽封口，鋁殼電池采用激光封口?！耙驗殇摎げ牧暇哂泻芎玫难诱剐?，更容易實(shí)現機械封口，成本比較低，良率比較高。對于常規封口工藝來(lái)說(shuō)，鋁殼沒(méi)法采用機械封口形式?！蓖趵谥赋?。
針對該特點(diǎn)，深圳中基開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)針對鋁殼電池的輥封工藝，采用機械封口代替激光焊接，突破了整個(gè)行業(yè)鋁殼電池機械封口的難題。“因為激光是一個(gè)不穩定的熱源，即使爭取做到穩定性很高，但是良率始終難以和機械結構匹敵?！蓖趵谥赋?，該技術(shù)的滾槽精度達到±0.05mm，同時(shí)具有非常高的模具壽命，已經(jīng)在國內某頭部圓柱電池企業(yè)有量產(chǎn)。
高效除塵技術(shù)：對于鋰電來(lái)說(shuō)除塵非常關(guān)鍵，一點(diǎn)的粉塵可能就會(huì )造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。深圳中基運用流場(chǎng)模擬分析吸塵管路流體狀態(tài)，通過(guò)對粉塵的流動(dòng)優(yōu)化管路結構設計，提升了整體的除塵效率。
02
軟包固態(tài)電池裝備
軟包是目前固態(tài)電池比較成熟的封裝形式，王磊表示，在軟包電池設備領(lǐng)域，深圳中基具有豐富的經(jīng)驗和技術(shù)積累，目前其軟包電池設備可以實(shí)現單線(xiàn)產(chǎn)能超過(guò)18PPM，產(chǎn)品合格率達到99%以上，稼動(dòng)率達到96%，尤其是多規格兼容390-590mm，包括不同的單側出極耳和數碼軟包都可以滿(mǎn)足要求。
據介紹，深圳中基的超聲波極耳焊接技術(shù)，可以兼容單雙出軟包電池，配備超聲焊接實(shí)時(shí)監控系統，同時(shí)可以實(shí)現電池尺寸在制造過(guò)程中被監控的閉環(huán)，設立獨立工位和隔離設計保證除塵效果，采用高壽命的極耳裁切刀，單機效率大于20PPM。
王磊表示，深圳中基的鋁塑膜精密沖坑技術(shù)，同樣兼容性比較好，集成了鋁塑膜的放卷、張力控制系統于一體，保證放卷過(guò)程的一致性，同時(shí)特殊的凹凸膜設計，使沖坑過(guò)程運行平穩、速度快，沖坑精度可以控制到±0.1毫米。該設備單機效率也滿(mǎn)足20PPM高效率需求。
據王磊介紹，在鋁塑膜精封技術(shù)方面，深圳中基設備的封裝壓力可以做到實(shí)時(shí)控制，同時(shí)可以對極耳進(jìn)行獨立預熱，實(shí)現對電池尺寸的閉環(huán)監控，真空腔體可以達到5Torr，真空腔體封印厚度精度±15μm，封頭溫度均勻性±3℃，鋁塑膜切刀壽命≥100萬(wàn)次，單機效率≥20PPM。
“針對軟包的固態(tài)電池，我們配合國內外的客戶(hù)做了些產(chǎn)線(xiàn)，從2022年開(kāi)始有一系列的出貨，而且目前的項目狀態(tài)基本都達到量產(chǎn)的狀態(tài)?！蓖趵诒硎?，公司在固態(tài)電池、半固態(tài)電池相關(guān)設備的研發(fā)方面，已經(jīng)有非常成熟的經(jīng)驗，希望能夠跟相關(guān)電池企業(yè)進(jìn)行更多協(xié)同合作。
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