新能源行業

　　切疊一體機設備科普

　　·背景·

　　鋰電設備按照不同工藝流程可分為前段設備、中段設備、后段設備，前段、中段、后段設備的價值占比約為 4：3：3 ，其中中段工序最核心的環節便是卷繞/疊片工序，在整個中段工藝中價值量占比約為 70 %;近年來在鋰電池需求及擴產步伐高速增長的帶動下，中段設備的市場規模也在持續擴大， GGII 預計到 2025 年我國鋰電池中段市場規模將達 415 億元。

　　鋰電設備工藝流程介紹

　　鋰電設備的定義： 鋰電設備是將正負極材料、隔膜材料、電解液等原料通過有序工藝，進行制造生產的工藝裝備，鋰電設備對鋰電池性能和成本有重大影響，是決定因素之一。按照不同工藝流程可將鋰電設備分為前段設備、中段設備、后段設備，在鋰電產線中， 前段、中段、后段設備的價值占比約為 4：3：3 。

　　前段工序的生產目標是完成(正、負)極片的制造： 前段工序主要流程有：攪拌、涂布、輥壓、分切、制片、模切，所涉及的設備主要包括：攪拌機、涂布機、輥壓機、分條機、制片機、模切機等。

　　中段工序的生產目標是完成電芯的制造，不同類型鋰電池的中段工序技術路線、產線設備存在差異： 中段工序的本質是裝配工序，具體來說是將前段工序制成的(正、負)極片，與隔膜、電解質進行有序裝配，主要包括卷繞或疊片、電芯預封裝、注電解液等工序，對精度、效率、一致性要求很高，所涉及的設備主要包括：疊片 卷繞機、注液機、封裝設備等。

　　后段工序的生產目標是完成化成封裝： 截至中段工序，鋰電池的電芯功能結構已經形成，后段工序的意義在于將其激活，經過檢測、分選、組裝，形成使用安全、性能穩定的鋰電池成品。后段工序主要流程有：化成、分容、檢測、分選等，所涉及的設備主要包括：充放電機、檢測設備等。

圖：鋰離子電池的一般生產工藝過程

　　電芯制作工藝 卷繞工藝 vs 疊片工藝

　　電芯制作工藝可分為疊片和卷繞兩種： 疊片工藝是將正負極極片、隔膜裁成規定尺寸的大小，隨后將正極極片、隔膜、負極極片疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯起來組成一個大電芯;卷繞工藝是將分條后的極片固定在卷針上隨著卷針轉動將正極極片、負極極片以及隔膜卷成電芯的工藝方式，在這里極片的大小、卷繞的圈數等參數根據電池設計容量來進行確定。

　　在動力鋰電領域，產能擴張規模大且要求交付速度快，電池質量、能量密度和安全性等要求不斷提升;鋰電池企業通過整線化采購和生產技術持續更迭來實現快速交付、提高能量密度和電池良率，目前鋰電設備整線化正成為行業發展趨勢。在鋰電池生產技術迭代方面，電芯裝配段的疊片工藝在能量密度、安全性和充放電效率方面優于卷繞工藝，順應電芯能量密度比提升趨勢，疊片機的市場空間或將有所增加。

　　在消費鋰電領域，行業頭部企業主要采用軟包、圓柱和方形電池方案，三種形態電池技術所對應的加工工藝不完全一樣， 目前軟包電池多用疊片工藝，圓柱電池多用卷繞工藝，方形電池以卷繞工藝為主，也可以用疊片工藝。卷繞工藝包括極片制片和電芯卷繞兩道環節，需使用制片機和卷繞機;而疊片工藝包括極片模切和電芯疊片兩道環節，需使用到模切機和疊片機。軟包電池質量輕、安全性和能量密度高，逐步替代圓柱電池和方形電池成為行業主流，同時軟包電池出貨量的上升也將帶動模切機和疊片機的銷售增加。

圖：卷繞工藝與疊片工藝電芯對比示意圖

　　電芯制作設備 卷繞機 vs 疊片機

　　卷繞機的定義： 鋰離子電池制造的卷繞工序是將前述制片工序中制作的極片制成鋰離子電池的裸電芯。卷繞電芯是指正極、負極極片料卷或長片間夾有一層隔膜，一起卷繞成一個圓柱體或棱形體的電池芯體，是完成鋰離子電池制造的關鍵工序之一。卷繞機是移動通訊類中小型號鋰離子電池生產關鍵設備，卷芯制造設備為適應圓柱、鋁殼、軟包等不同類型電芯制作工藝，工序復雜、控制嚴格。

　　疊片機的定義： 鋰離子電池制造的疊片工序是將模切完成的正、負極片與隔膜間隔堆疊成電池的裸電芯。疊片主要有 Z 字型疊片和制袋式疊片兩種形式， Z 字型疊片即將模切完成的正、負極片直接與隔膜間隔堆疊形成電芯;制袋式疊片是在疊片前增加制袋工序，將模切完成的正、負極片分別裝入隔膜袋內，疊片時僅將正、負極片袋間隔堆疊即可形成電芯。疊片機是動力及儲能類大中型號鋰離子電池生產關鍵工序設備， 疊片電芯制作設備工序復雜、控制嚴格，存在安全因素多，曾一度成為鋰離子電池制造的瓶頸。

圖：卷繞機工作流程 圖：疊片機工作流程

　　“疊時代”以來廣受青睞

　　1、疊片工藝迎合市場需求，“疊時代”以來廣受青睞

　　“疊時代”以來疊片工藝廣受青睞：隨著新能源汽車的大規模推廣和普及，人們對新能源汽車的多樣化需求也進一步提升，如：安全性能更高、續航里程更長、充電速度更快;于是，刀片電池(長電芯)隨之進入我們的視野，但“刀片電池”電芯結構變得狹長，卷繞工藝已無法滿足新一代電池的生產要求。

　　疊片工藝采用多極片并聯的方式使得電池內阻更小，充電效率更高;且在充放電循環中產生熱量也相對較小、較均勻，電池安全性更高;此外，疊片工藝使得電池內部空間利用更充分，電池能量密度相對更大。因此，疊片工藝深受鋰電池制造企業的青睞。

　　2、卷繞機關鍵影響因素 張力控制、自動糾偏技術、卷繞速度張力控制是影響卷繞機先進程度的核心技術：在整個卷繞過程中，為了保證電芯組裝成的電池具有高一致性，需要尤其注意卷繞的張力控制。張力波動導致的松緊差異會使得卷繞出的電芯產生不均勻的拉伸形變，使電芯材料分層或出現 S 型褶皺，嚴重影響產品的一致性，隔膜、極片表面不平整起的褶皺會增大電池內阻。卷繞張力控制是一個高速的動態平衡過程，卷繞機在電氣和軟件控制方面要求很高，要求伺服控制系統快速反應，軟件的編程也需要獨到的經驗水平。對于方形鋰電池的卷繞，需要保持卷繞的線速度不變，角速度需要自動調整，因此方形鋰電池卷繞的張力控制對技術要求更高。當前國內領先企業能做到圓柱電池張力波動控制在 5% 以下，方形電池張力波動控制在 10% 以下。

　　卷繞機的自動糾偏技術和卷繞速度也比較關鍵： 糾偏系統能保證電池卷繞過程中極片隔膜卷繞整齊，正極 負極隔膜之間相對位置準確，目前行業通常要求卷后正負極片或隔膜的上下偏差均小于 0.5mm ，超過這一數值將對電池形變產生影響。目前國內領先企業的圓柱電芯能達到 18 米/ 秒以上的高速卷繞速度，方形電芯由于需要保證線速度恒定，因此變角速度卷繞較慢，國內領先企業能達到 0.8 米 /秒以上。

　　3、疊片機多用于軟包電池，與國外設備仍有較大差距疊片機多用于軟包電芯生產，能實現高于圓柱和方形電池的性能和安全性： 疊片工藝生產出的電芯優點在于：由于相當于多個小極片并聯，內阻較低，放電平臺高;電芯極片隔膜之間受力面積一致，無明顯應力集中點;內部空間利用較為充分，體積比容量和能量密度更高;疊片工藝相當于多極片并聯，更容易在短時間內完成大電流放電，倍率性能佳。但同時疊片工藝也存在操作要求高、生產控制繁瑣、次品率高等缺點， 目前疊片機尚未在電池行業普遍應用，主要瓶頸就在于疊片與卷繞效率的差異，未來隨著疊片技術及效率的不斷提升，電池廠商對疊片工藝應用的市場空間待釋放。

　　目前國產動力電池用疊片機的效率相比國外日韓設備差距較大：國產設備以雙工位居多，效率普遍在 0.5-0.8 秒/片，而進口疊片機效率為 0.17- 0.2 秒/ 片。國內外設備差異的原因主要主要體現在：

　　1 )國外日韓設備在鋰電方面投入較早，在專利和知識產權保護下，選用的疊片工藝跟國內不同;國外疊片工藝是先將負極與隔膜裁切成單元進行疊片，再跟正極用卷繞方式制成電芯;國內主要用熱復合和 Z 字型疊片工藝，相對來說較為復雜并且對設備要求高，進而生產效率方面受限制。

　　2 )電池型號兼容性。國內電池企業一般要求疊片設備至少兼容六款型號不同的電池，而國外日韓設備只專注于一款或兩款電池型號;國內設備相比國外兼容性更強，自然在穩定性和稼動率方面就相對差一些。

　　3 )國產設備注重搶占市場份額，關注性價比、售后服務等客戶體驗，國外日韓設備則走高端路線，只服務特定領域的電池企業。

　　切疊一體機成為行業趨勢

　　在疊片工序，動力電池電芯長薄化趨勢下，卷繞工藝已無法滿足需求，生產工藝向“疊時代”邁進;一體化設備作為行業發展大趨勢，目前切疊一體機的應用規模也在持續上升。

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　　本文內容節選自天風證券《機械設備 切疊一體機技術工藝及路徑探討》。