方形叠片最有未来?动力电池的下一站
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[汽车 行业] “动力电池即将进入叠片工艺时代”,说这话的人,是蜂巢能源总经理杨红新。蜂巢能源脱胎于长城汽车动力电池事业部,被称为长城汽车董事长魏建军的“二次创业”,这家企业希望成为全球动力电池供应商。两天前,蜂巢能源在长城哈弗技术中心举办了一场声势浩大的战略及产品发布会,这对于车企来讲再寻常不过,但在电池圈还算少数。

距离补贴完全退坡的时间越来越近,国际电池巨头纷纷也开始投向中国市场,动力电池产业的竞争进一步加剧,已进入洗牌期。与此同时,新能源汽车市场规模仍在扩大,拉动电池需求增长。

电池叠片工艺是此次发布会的主角,蜂巢能源坚定的认为,以叠片工艺为主导的新工艺、新技术、新材料、新标准,将引领动力电池进入一个新的时代,他们把这个时代称为“叠时代”。那么,蜂巢能源如此推崇的叠片工艺究竟是什么?有何优势和短板?为什么蜂巢能源认为,叠片工艺是未来趋势?

“动力电池行业的市场足够大,随着外资企业进入,市场竞争也越来越充分,未来国内电池企业一家独大的局面有望被打破,行业能容纳五六家左右。”蜂巢能源科技有限公司总经理杨红新最近在接受第一财经记者专访时表示。值得注意的是,蜂巢能源前身是长城汽车动力电池事业部,去年从长城汽车剥离成为独立公司,预计2022年实现独立上市。

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高工产研发布的数据显示,两年前,我国动力电池企业数量达155家,但是到了2018年,这个数字已经下滑到了105家。目前,国内动力电池企业还面临着上下游企业的压力:一方面,下游车企面临补贴退坡要求电池企业降低配套价格;另一方面,上游原材料价格近年来上涨也给电池企业带来压力。比如,美国汽车电池制造商A123在短短三年内就从IPO走向破产,主要是因为电池成本依然居高不下,而订单数量并未跟上。

60秒快速阅读: 1、作为动力电池的两大生产工艺,叠片工艺受制于生产效率和质量控制的因素,目前还只在市场份额较小的软包电池领域应用。 2、蜂巢能源称,通过生产设备的改进,正在大幅提升叠片工艺生产效率,预计2023年可开发出单工位0.25秒/片的设备,届时将有望与卷绕效率持平。 3、在电池性能层面,蜂巢能源认为,相同条件下,叠片工艺可以使电池能量密度提高5%,循环寿命提高10%,成本降低5%。从用户的角度来看,电池生产工艺的创新突破,将有助于提升电动车的使用寿命和续航里程,从长远来看,也有助于车辆成本下降。 4、叠片工艺既可以应用方形电池上,也可以应用在软包电池上,目前还主要应用于软包领域。蜂巢能源认为,从长远来看,方形电池更适合车载。但目前,软包和方形各有优势,两种技术路线还将长期博弈。

“原材料价格趋于理性,已经在降低,这也给电池成本下降提供了很大的空间。对于国内电池企业来说,随着补贴退坡,如何渡过2019年和2020年很关键。”杨红新对记者表示,动力电池市场变化太快,国内80%左右的动力电池企业没有技术储备,所以一些电池企业死的也快。此外,受补贴退坡影响,2018年多家动力电池企业利润大幅下滑,企业战略布局要从长期考虑,进行全方面布局。蜂巢从多个场景化进行布局,三代技术同步研发,就是为了快速变化的市场。

■ 叠片VS卷绕 效率是关键

真锂研究公布的数据显示,宁德时代一季度动力锂电池装机量占半壁江山,远超排名二三的比亚迪和国轩高科,预计今年的行业集中度会更明显。也就是说,动力电池行业虽然产能过剩,但优质的高端产能不足,这也导致很多新能源汽车企业出现了供货不足的情况。今年第一季度,北汽新能源产量和销量大幅下滑,电池供货不及时就是造成这种局面的一大因素。

我们都知道,动力电池主要有三种类型,方形、圆柱和软包,而叠片和卷绕正是生产这些电池的两种工艺。从发展历史来看,卷绕工艺从消费类电池就开始应用了,经历了最初期的手动式卷绕机、更新后的迭代半自动卷绕机、再到现在的全自动卷绕机。在这过程中,卷绕工艺生产效率大幅提升,成为电池领域主流工艺路线。

“最近几年,投资在收缩,但优质产能还是愿意投的。小企业生产线落后,很多不是按照汽车级标准建设的,所以产能劣质。大的企业也不愿意收购这些小企业,因为收购老产线没有价值。”杨红新说。

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在杨红新看来,未来,宁德时代一家独大的局面将会被打破。“现在外资电池企业已经重启在华投资,这让整个行业竞争更加充分,有利于国内电池企业更加健康地发展。”杨红新对记者表示,外资企业进入会加速淘汰落后产能。由于目前国内电池企业是一家垄断的局面,电池厂商和整车厂中涉及到话语权的问题,因而外资企业进入对整车厂来说也是利好的。“国内电池企业与日韩动力电池企业之间的差距不在研发方面,其化学体系甚至使用的材料与国外基本一致,但制造一致性上,外资企业的管控体系非常标准,中国企业还存在一些差距。”

也正是因为卷绕工艺更成熟、生产效率更高,在消费类电池向动力电池发展的过程中,也沿用了卷绕工艺,成为当前动力电池主流的生产工艺,广泛应用在方形电池和圆柱电池里。叠片工艺则是伴随着电动车发展逐渐发展起来的,目前只在市场份额较小的软包电池领域应用。

此外,虽然锂离子电池是当前行业主流,但仍存在安全性等问题,发生了一些应用锂离子电池的电动车起火事件。“安全问题是当前锂电池需要解决的技术难点,从技术手段上肯定可以解决。实际上,如果正常使用电芯是不会着火的,所有着火的电芯,都是电芯本身有缺陷。电芯在生产过程中有微小颗粒被夹进去了,在电池各种测试中会把绝大部分小颗粒筛出来,但有一些是筛不出来的,而电池用的时间长了就会刺穿。所以安全性的解决要靠生产一致性的控制,此外要做一些智能控制。”杨红新表示。

从动力电池装机量来看,2018年,我们新能源汽车方形动力电池装机总电量约42.25GWh,占整体总装机电量的74.1%;软包动力电池装机总量约7.62GWh,占整体总装机电量的13.4%;圆柱动力电池装机总电量约7.11GWh,占整体总装机电量的12.5%。由此可以粗略推算出,目前85%以上的动力电池采用的都是卷绕工艺。

当前,主流的锂电池封装形式主要有三种,即圆柱、方形和软包。而高工产研锂电研究所数据显示,在这三种封装形式中,方形电池占据主流达74%,圆柱和软包电池分别占比12%和13%。软包动力电池电芯普遍采用叠片工艺,而由于方形电池在叠片工艺方面一直无法突破效率问题所以通常采用卷绕工艺。叠片工艺的电池在安全性能、能量密度以及成本等方面具备明显优势,因此叠片工艺是未来电池的主流制造趋势。不过,当前就叠片工艺应用在方形电池的状况来讲,其在效率、一体自动化程度等方面仍然存在短板。

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“过去老的叠片技术效率低,所以很多电池厂商普遍选择了卷绕工艺。韩国率先突破了叠片工艺的效率,中国市场正在跟随。当前,电池厂已经在卷绕工艺上投资了几百亿,要把全部设备换掉才能用叠片工艺,成本太高。宁德等大型公司已经储备了叠片工艺技术,但包袱太大。预计在2025年左右,大多电池厂会采用叠片工艺。”

卷绕工艺受欢迎,主要是生产效率带来的成本优势。相比之下,叠片工艺虽然在电池性能、完全、空间利用率等方面都更具优势,但由于叠片工艺生产设备的技术瓶颈难以突破,使得叠片电池比卷绕电池存在生产效率低、工艺复杂度高、品质控制难度大、设备占地面积大、单位瓦时投资比高等明显劣势。

“两年前,宝马和长城接触的时候,已经知道长城在做电池且未来应用的是叠片技术,宝马也认为叠片工艺是电芯技术终极方案。所以宝马当时就派了专家和长城一起做模组开发,工厂的设计、标准体系、建设等标准完全按照宝马标准来的。”杨红新对记者表示。目前,蜂巢能源电池除了已经安装至长城的SUV车型上进行试验外,还与宝马和PSA进行业务洽谈。

具体来看,目前国内叠片机行业效率普遍在单工位1-1.2秒/片,而只有效率提升到0.2秒/片左右时,叠片工艺才可能与卷绕工艺成本相当。另外,叠片工艺需要将每个极片进行两次分切,一个电芯则涉及到数十次分切,而卷绕工艺每个电芯只需要进行正负极各一次分切。每次分切都存在极片的截面产生毛刺的风险,这就增加了电池质量控制的难度。正是因为受制于这两个主要的短板,叠片工艺目前还远没有卷绕“受宠”。

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■ 电池尺寸变长 叠片优势凸显

虽然叠片工艺有明显的瓶颈,但却是未来动力电池发展的大势所趋。随着新能源汽车的发展,企业已经开始针对电动车开发底盘,相比此前改款的燃油车底盘,针对电动车专门开发的底盘,动力电池可以更规则的排布,这一方面能有效利用空间,另一方面也有助于电池安全防护。

目前,最受业内关注的电动车平台就是大众的MEB平台,从这一平台来看,电池的模组和电芯尺寸都在变大。业内普遍认为,大模组、大电芯是未来动力电池发展趋势。而目前大众发布的VDA尺寸的电芯已经到达卷绕电池的极限,而基于MEB平台的电芯尺寸,电芯长度大大增加。随着电池越来越长,卷绕工艺将越来越难实现。

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而从性能上来看,叠片工艺也有明显优势。杨红新介绍,相同条件下,叠片工艺可以使电池能量密度提高5%,循环寿命提高10%,成本降低5%。

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