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想象一下这种场景,每卷长度超过1000m的微米级厚度铜箔,在以人类慢跑的速度下,均匀涂上浆料,不能拉断、不能跑偏、不能被应力褶皱,重量、误差要控制在很小的范围内。
更何况,厂商们为了提高生产效率,还在追求更宽的涂布宽度、更快的涂布速度,更薄的箔片。
这是刀尖上起舞的艺术。
目前,国产厂商在高端涂布设备领域离日韩企业还有差距,尚未完成进口替代。
第三步,辊压。将涂布后的极片进一步压实,提高压实密度,进而提升电池能量密度。
第四步,分切、模切、制片。将一大卷已经均匀涂满正极或负极的金属箔片,切割成需要的尺寸,焊接极耳,为后面的卷绕或者叠片工序做准备。
以上各种花里胡哨的动作完成之后,我们就会得到下面这个东西(注:此为叠片所需要用到的极片)。
请注意,这是一摞极片,每张极片都非常薄,和A4纸的厚度差不多,并且各项指标(例如尺寸、面密度、毛刺等)都非常严苛,公差非常小。
前段工序结束之后进入中段工序。中段工序是电芯组装,主要的工作是将正极片、负极片、隔膜通过卷绕或者叠片方式,做成极芯。然后再将数个极芯连接之后,封装进电芯的壳体中,然后再注入电解液。
中段工序的核心要求是一致性,对精度、效率、良品率有着较高的要求。
中段工艺第一步,卷绕或者叠片。这是各个工序中非常关键的一环。
将隔膜设置在正极片和负极片中间,三者之间通过卷绕或者层层叠放的方式,制作极芯。
在卷绕设备领域,中国的设备厂商保持着优势,这也是先导和赢合等厂商起家的设备。
而叠片设备领域,最大的瓶颈在于生产效率低,韩国人是这方面的领先者。根据东吴证券统计的数据,目前国产设备以双工位居多,效率普遍在0.5-0.8秒/片,而进口叠片机效率可达0.2秒/片。
比亚迪重庆弗迪电池工厂生产的刀片电池,采用比亚迪完全独立自主开发的设备和裁切方案。设计的叠片速度在0.3秒/片,在业界处于领先水平。
中段工艺第二步,电芯封装。在这之前还需要做一些绝缘的处理,通过焊接进行极芯的连接等,然后装入电芯进行封装。
中段工艺第三步,将电解液通过一个小孔,注入电池壳体中。
中段工序结束后,我们就得到了一个成型的电芯。
接下来就是后段工序,后段工序的作用,是将电池充电活化,形成SEI膜,并对电池各项指标数据进行监测、分选,在最后环节确保电池的质量以及一致性。
后段工序的第一步是化成、分容,这也是电池生产中的一个关键环节。通过化成分容,将电池充电活化,并测试电池的容量和其他电性能。
在化成分容方面,中国企业拥有优势。
最后一步是监测、分选,主要通过充放电时的电流、电压、时间等相关数据和曲线图表,区分电池品质,剔除不良品。
这样做好之后,一块电芯就制作完成了(我们就可以开吃了)。
必须说明的是,单体电芯还需要模组组装、PACK等环节才能组成电池包,最后应用在新能源汽车上。
以上只是电芯生产环节高度抽象之后的概括,真正的电池生产过程,远比以上介绍要复杂很多倍,在精度、稳定性、效率等方面的要求也非常苛刻。另外,在环境控制、监测、自动化、物流、工业软件等方面互相配合,还有诸多的细节,亦不能说尽。
锂电池生产过程简图,来源:高工锂电、东北证券
动力电池是仅次于芯片制造的高度专业、复杂、精密的现代制造业。
三
随着消费者开始真正为智能电动车买单,行业的格局、对企业的要求,都在悄悄发生变化。
设备行业当前的挑战和压力来自动力电池发展和竞争的压力。动力电池企业的使命是提供成本更低、能量密度更高、质量更好、循环寿命更长的电池,而这些都和设备行业息息相关。
从2019年开始,动力电池产业加大了在制程和设备方向的探索。
CTP、刀片电池等电池结构上的创新,背后是对行业深刻的理解。
这些由车企和电池企业发起的行业创新,极大地促进了设备和制造的变革,同时也对设备企业提出了更高的要求。
随着动力电池产业越来越集中的发展趋势,电池企业对设备企业的要求会更高,对单项技术的追逐会更加极致。
另外,像特斯拉这种巨头还在试图进入电池制造领域。
9月15日,特斯拉将要举办电池日活动,这一天特斯拉极有可能会放一个大招。
马斯克曾不止一次地提到过,“我们非常了解电池”。
在收购了电池制造商海霸之后,擅长制造「制造机器的机器」的特斯拉,将要如何定义电池的制造、电池的创新,非常值得期待。
在下游的客户越来越集中,并且都非常懂电池、懂生产的情况下,选择纵整线战略,而不是技术深耕的战略,是非常危险的。
如今的动力电池行业,要求锂电设备在单一环节进行深耕,而不是漫天撒胡椒面。
它要求设备企业必须不断在以下等领域深入深入再深入,建立自己的核心竞争力:
1、高精度、高稳定性
高精度、高稳定性是对一致性的追求。一致性是动力电池制造最关键的指标,这和设备有直接的关系,也将直接影响电池的质量、性能,间接通过良品率等影响电池的成本。
关于设备精度对成本的影响,一位资深电池专家表示,
以做135Ah电芯为例,135Ah是最低要求,如果精度高,在工艺设计的时候,按照137Ah去设计就完全可以满足要求。
但如果精度不够高,就需要按照140Ah去设计,才能保证135Ah。这给电池产线带来的损失是比较大的,也很难去追求一些极限的东西。
2、高速自动化
高速自动化是出于对效率的追求。
基本上在锂电生产中,所有的环节都有时间这个维度。高速匀浆、高速涂布、高速叠片、高速卷绕,时间就是金钱。
叠片、涂布等领域,中国的设备厂商们还没有建立起足够的竞争力。
而自动化,头部厂商们已经在大部分环节上已经实现了,但仍然还有很大空间。
3、集成一体机
在锂电池制造的诸多工序中,某些环节并不是一定要严格分开,设备厂商可通过做设备的集成,将上下环节合并,也就是各种集成的一体机。
在谈到设备集成时,弗迪电池副总经理孙华军在接受《建约车评》采访时表示:
例如将辊压、分切做成一体的设备,减少操作和中转次数,这样也可以降本。
如果是分开的设备,多上、下一次卷,会带来误损;物料转运也需要物流设备去满足;另外,多设备下,占用空间更大、管理更复杂、能耗也高。
设备集成之后,这些环节的优化,都是在降低企业的成本。
他表示,“如果设备厂能将涂布、辊压、分切做成一体的设备,竞争力就会非常强。”
“很多事不是不能做,是很多人不敢想。”
努力的方向不止以上,还有很多,但都必须是对极限的追求,而不是大而全的扩张。
每一个方向不断向下的追求都是无穷无尽的,并且还有很大的创新空间,而这些创新必将带来度电成本的下降、电池性能的提高、电池质量的提升。
而这些创新的起点,来源于对材料、电池的认识,来源于企业对技术孜孜不倦的追求,来源于企业重新发现问题、定义问题、解决问题。在动力电池行业,还要加上对电动车行业的理解。
以上说法也许未必能让一些企业信服,这里抛出一个问题,仅供思考:
大众的MEB 590模组、特斯拉-松下-LG化学的2170圆柱、比亚迪的刀片电池正在逐渐成为纯电动平台的三股势力,这些创新是谁定义的?
台积电的7nm、5nm又是谁定义的?
差距在哪里?
结语
2020年5月7日,马斯克在参加《乔罗根秀》时表示:“太多聪明人从事法律和金融,应该让更多聪明的人回归制造业”。
在锂电制造行业,聪明人确实是大有可为的。
在这样一个电化学、机械、电气自动化、软件等多学科交叉点,行业的上限很高,永远有令人兴奋的创新机会,可以改变这个世界。
在这样的行业中,是有机会产生台积电、ASML这种企业的。
但要求也是非常高的。
这些经常与电气、机械等打交道的设备企业对材料、电池、电动车的了解到底有多深,战略思考是否深入,对行业理解是否透彻,都关乎着一家企业的命运。
相信分工、相信专注、相信创新、相信技术。
而不是迷恋规模。
做ASML,还是做德尔福,需要做出选择。
参考资料:
银河证券,从新能源车黄金十年推演锂电设备发展机会,乘风而起,扶摇直上
西南证券,锂电设备行业专题报告:新的起点,群雄逐鹿,全球争霸
东方证券,先导智能——具备“伟大”基因的非标自动化龙头企业
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