动力电池叠片设备解析

       动力电池目前的主流生产工艺，无论是以特斯拉和松下主导的圆柱路线，还是以三星、CATL主导的方形路线，仍还在沿用数码锂电时代的卷绕制造工艺。但在车规级动力电池对于大容量、大规模、标准化的要求趋势下，对制造一致性、制造质量、制造安全性的要求也越来越高，卷绕工艺存在的问题逐步显现出来。

       在此背景下，叠片工艺能够很好的满足锂离子在电池内部均匀、平行移动的需求，且叠片工艺具备接触界面均匀、内阻低、能量密度高、倍率特性好、极片膨胀变形均匀等综合特点，已经成为未来电池结构发展的重要趋势。

叠片设备的分类

Z型叠片

       可以分为单工位Z型叠片机、多工位Z型叠片机、摇摆式Z型叠片机和模切Z叠一体机。从电芯结构工艺角度分析，由于Z型叠片的机理是隔膜材料的往复高速运动再配合叠台的压针动作，这个过程免不了会出现极片定位不准（压针撤离极片移动，无法在线监测），不能在线数据闭环的问题，同时出现隔膜拉伸变形不均匀，在高加速运动中变形破坏的风险也会更高。

       从制造角度分析，Z型叠片需要下料和尾卷的辅助时间，这在电芯制造过程中会对效率产生较大的影响。Z型叠片提升效率的方式除了单工位效率提升外，一般采用多工位的制作方式来提升效率。但是多工位Z型叠片机存在较复杂的极片调度系统，整机的实际利用率较低。

复合叠片

       可以分为复合卷叠机、复合堆叠机和复合折叠机。复合叠片的基础需要使用双面涂胶隔膜，包括水系或油系隔膜。通过压力和温度将极片与隔膜粘附在一起形成复合单元，再使用不同的方式进行电芯成型。同时复合叠片技术较适合用于未来半固态或全固态电池的制作。复合叠片可以保证隔膜张力均匀，没有拉伸突变，隔膜极片结合界面均匀，可以在线检测正、负极片，隔膜的对齐度实现制造数据闭环，因而对叠片制造质量提升很有帮助。

叠片分类及优缺点

（工艺流程示意）

叠片设备的原理

① Z型叠片机：

       此设备完成动力电池的自动叠片、贴胶及自动下料功能。隔膜主动放卷，经过渡辊，垂直张力机构引入主叠片台。主叠片台带动隔膜前后往复运动，呈Z字形折叠并放置极片。正负机械手分别从正负极片盒内取出极片，经次定位台定位，精确叠放在主叠片台上。在叠放至设定片数后，停止叠片，完成尾卷、贴胶后，自动下料到后工序。其设备流程图和主要性能指标表如下：

Z型叠片机设备流程图

Z型叠片机主要性能指标表

②复合叠片机：

       用于实现高速全自动叠片工艺，主要包含正负极片与隔膜放卷机构、极片裁切与除尘机构、极片隔膜热复合机构、叠片平台、电芯热压、贴胶、称重、贴二维码与扫码机构等。其设备流程图和主要性能指标表如下：

复合叠片机设备流程图

复合叠片机主要性能指标表

叠片设备的关键结构

①Z型叠片机

       主要部件构成包括：机架系统、正/负极片盒组件、隔膜放卷组件、负极片二次定位组件、叠片台组件、机械手组件、隔膜切断组件、电芯贴胶组件、电芯下料组件。

Z型叠片贴胶示意图

②复合叠片机

       主要部件构成包括：机架系统、放卷系统、张力控制系统、极片来料缺陷检测、麦拉膜收放卷系统、纠偏系统、极片裁切/送料系统、热复合系统、叠片平台、贴胶机构、Hi-pot测试机构、称重机构、贴二维码扫码机构、下料机构、粉尘控制机构。

复合叠片贴胶示意图

叠片设备的发展趋势

♦ 单机效率提升：由单机1GWh能力逐步往2GWh、4GWh、8GWh提升。

♦ 产品合格率提升：由现有的99%逐步往99.5%、99.9%、99.99%发展，同时产品的一致性CPK由1.33逐步提升至2.0以上。

♦ 设备稳定性提升：MTBF逐步发展到数千小时。

♦ 智能化一体化：模切叠片一体化、数据闭环智能化。

叠片机设备核心指标路线如下图：

叠片机设备核心指标路线图

       尽管叠片工艺对于动力电池性能的提升优势明显，但摆在产业链企业面前的现实问题是，叠片工艺在实际的产业化应用中面临着毛刺、粉尘控制等难题，仍需在未来制造技术发展中不断突破与创新。