探秘蜂巢“短刀”電池工廠

時間:2022-03-02 09:30來源:電動汽車觀察家 作者:邱鍇俊
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       蜂巢能源亮相之時，打出“疊時代”旗號，要以疊片工藝打天下。從此，VDA電池，疊；MEB電池，也疊。
 
       2021年蜂巢能源電池日，蜂巢宣布將其電池全系“短刀”化。所謂“短刀”，是薄長條形方殼電池，最長將近600mm。
 
       這么長的電芯，疊起來很難對齊。還疊嗎？
 
       還疊。
 
       而且速度還要提升，要能和大多數方殼電池廠的卷繞工藝PK。
 
       真能做出來嗎？
 
       2月25日，我有機會走進蜂巢能源常州工廠二期的“短刀”產線，見證“短刀”生產的過程；此后，又和蜂巢能源董事長楊紅新等高管交流電池的研發(fā)和生產。
 
       “‘短刀’的產線和全球其他所有電池產線比，都是非常先進的……我們對產線非常有信心，能造出高質量的電池。”楊紅新說。
 
       在搞定第一代“短刀”的研發(fā)、生產之后，蜂巢能源還要在“短刀”上持續(xù)做文章：高比能的、高倍率的、材料更豐富的……都有布局，以應對國內外對手的持續(xù)出招。
 
       像蜂巢能源這樣的動力電池企業(yè)，很多人以為就是生產制造，并沒有什么技術含量。但是，在國家戰(zhàn)略新興產業(yè)下，蜂巢能源研發(fā)無鈷電池等新產品、研發(fā)應用疊片工藝、機器視覺、人工智能等新技術，都是全球科技前沿的拼爭，也面向蓬勃發(fā)展的電池市場需求。
 
       無論是研發(fā)還是生產，這都是妥妥的硬科技，也是支持蜂巢能源快速增長的核心動力。
 
01
 
“短刀”良率近90%
 
       蜂巢能源2018年2月成立。首個工廠落地常州，2019年底一期就建成；2021年三季度，二期又建成投產。速度很快。
 
       二期8GWh產能中，其中有一條是蜂巢能源特別看重的“短刀”產線。蜂巢希望用“短刀”品類，來兼容乘用車、商用車、儲能等市場的需求。
蜂巢能源“短刀”電池
 
       “短刀”絕對是蜂巢能源戰(zhàn)略級別的產品。
 
       和比亞迪的刀片電池相比，蜂巢能源的“短刀”也是長薄型鋁殼電芯，但是長度較短，不到600mm，而比亞迪刀片長度可達960mm。
 
       蜂巢能源認為，“短刀”有刀片電池的幾乎所有長處：體積能量密度高、可以作為結構件做CTP，降低成本，易于散熱，安全性好。
 
       此外，由于它的長度還不是太長，能夠適配80%以上的乘用車，包括和大眾系推行的MEB模組相兼容，還適合做儲能。另外，生產工藝也更好實現，做到更高的良品率。
 
       這一切都是理論推導，2018年才成立的蜂巢能源，真的能將長達600mm的電芯做好嗎？
 
       任務落在蜂巢能源常州工廠二期。
 
       2021年三季度，蜂巢能源常州工廠二期投產，可以生產三種規(guī)格的電池：VDA、MEB和“短刀”。
 
       無論是哪種電池，生產工藝流程大致類似，分為勻漿、涂布、輥壓、切片、疊片（或卷繞）、裝配、注液、化成等。
 
一般的電芯生產流程
       就蜂巢能源的“短刀”品類而言，難點在于涂布、輥壓、模切和疊片等工序。因為長度達到近600mm，涂布的面密度和對齊度就有很大難度；模切過程類似，要切得非常精準；而疊片工序，必須疊得很快，還要疊得很齊。
 
       在涂布工段，我們參觀了正極涂布工序。這一工序中的涂布機，能夠分兩列涂1.4米。蜂巢能源董事、工藝資深總監(jiān)劉小安介紹，這是業(yè)界最寬的涂布機之一。
 
       評價涂布工序的好壞，主要是三個指標，速度、面密度和涂布位置的準確度。蜂巢“短刀”的涂布工序能做到的水平是：涂布速度到80m/min的水平，涂布面密度控制在±1.5%以內，涂布正反面錯位≤0.5mm。
 
       劉小安說，這幾個指標都是業(yè)界最好的水平。
“短刀”正極的涂布工序產出物
 
       在涂布之后，需要對極片進行輥壓，以確保正負極和基材緊密貼合，以及實現高能量密度。“短刀”片的極片很長，輥壓難度也大，因為必須做到整個極片的高度、密度都高度一致。
 
       這一工序段還有一個難點，在輥壓過程中，料區(qū)的鋁箔片和無料區(qū)的鋁箔片，應力不一樣，容易發(fā)生斷帶。
輥壓工藝
 
       這需要鋁箔很好的延展性。鋁箔在被加熱的情況下，會有更好的延展性。業(yè)界一般的解決方案是熱輥壓，即輥壓機是加熱過的。蜂巢的輥壓工序特別之處是，提前通過電磁加熱，加大鋁箔延展性，因為僅僅輥壓時加熱，效果有限。
 
       在輥壓環(huán)節(jié)，蜂巢能源“短刀”的CPK做到大于1.33（相當于該工序段產品的理論合格率=99.993%）。
 
       在模切環(huán)節(jié)，和蜂巢能源一期產線不同，二期蜂巢都采用了激光模切工序。激光模切精準度更高，產生毛刺小，也不用模具，速度也更快。這一模切線相比一期，從每分鐘切30米，提升至40-50米。
 
       切片之后，就到了蜂巢最核心、也最有競爭力的疊片工序了。在國內，方形鋁殼技術路線的企業(yè)，一般都采取卷繞工序，因為速度快，設備也較為簡單。疊片工序原來一般用于軟包電池。
 
       但是，疊片電池的安全性更好，能量密度也更高。因此蜂巢剛剛亮相，就確定以疊片為技術路線，并成為高速疊片工藝的引領者。
 
       在一期，蜂巢能源已經實現了業(yè)界最快的0.6秒/片的疊片速度。在二期，蜂巢Z字形疊片機，已經實現了0.4秒/片。另外，在二期產線一個被圍擋起來工序上，蜂巢再進一步，實現了0.125秒/片的疊片速度。
 
       劉小安說，0.125秒/片的疊片速度已經可以叫板卷繞工藝。一般卷繞的速度是0.2秒/片。
 
       疊得快的同時，還得疊得準。劉小安介紹，現在“短刀”疊片工序的對齊度精度是±0.3mm，達到了業(yè)內最好的水平。
疊片工藝
 
       在疊片工序之后，疊好的極組要送去裝配。在這兩個工序銜接的物流段，蜂巢能源采用了業(yè)界首創(chuàng)的磁懸浮物流線。和傳統(tǒng)的皮帶物流線相比，磁懸浮物流線速度快達到3米/秒的速度，是業(yè)界一般水平——0.3米/秒的十倍，而且異物抑制率提升了80%。
磁懸浮物流線
 
       一方面是磁懸浮物流線沒有傳送摩擦，不會帶來粉塵污染；另一方面，是蜂巢還采用了AI技術，來設置磁懸浮托盤的加速、減速，防止撞擊。
 
       疊片之后的極組，再經過熱壓、裝配、注液、活化、老化、檢測等環(huán)節(jié)就宣告完成。
 
       “短刀”也就此誕生。
 
       目前，方形電池越做越大已經成為潮流，因為能夠提升能量密度，并且和底盤結合，部分作為結構件使用。很多企業(yè)也采用長薄形電芯，但是要么做不了那么長，要么良品率上不去。
 
       蜂巢能源常州工廠二期的“短刀”產線，不僅能夠將長達600mm的“短刀”生產出來，而且良品率也不錯。
 
       楊紅新介紹，現在“短刀”產線還處在爬坡階段，但良品率已經到85-90%的水平。“我們的目標是能夠做到和傳統(tǒng)的產品一樣的水平——95%以上。”
 
02
 
硬科技成就智能制造
 
       蜂巢能源“短刀”產線，不僅是全球最先進的電池生產線，也是智能制造的典范。
 
       首先，這個產線應用了很多電池生產所需的高端裝備。
 
       最典型的就是超高速疊片機。在蜂巢能源一開始打出“疊時代”口號時，還是從韓國尋找先進的疊片技術和設備。但是二期即將啟用的超高速刀片式電芯疊片機，就是蜂巢能源自己研發(fā)設計，委托設備廠加工的。
 
       前面提到，這個疊片機疊片效率可以做到0.125s/片，超越普通卷繞工藝的效率，引領了全球疊片工藝的進步。
 
       此外，在勻漿工序中，蜂巢采用了2300L大容量雙行星攪拌設備。劉小安介紹，這個設備的單體容量在行業(yè)里是最大的，每罐漿料可生產純電動車約10輛左右。
 
       其次，這個產線大量應用了機器視覺，幫助實現工業(yè)自動化和智能化。
 
       “短刀”產線主要用了三種機器視覺設備：β射線檢測系統(tǒng)、激光檢測和CCD（影像）檢測。
 
       β射線檢測和激光檢測是對檢測對象發(fā)出β射線或者激光，通過檢測β射線衰減情況或者是激光反射數據，來分析、測量檢測對象的厚度、大小、位置等數據。
 
       而CCD檢測，就如同給被檢測對象拍了一張照片，然后將圖像信號轉換為數字信號，再通過系統(tǒng)對信號進行運算，來判別被檢測對象的特征。
 
       蜂巢能源大量應用這些設備，來監(jiān)測監(jiān)測電芯生產品質。
 
       比如在涂布工序上，蜂巢采用3套β射線在線面密度檢測系統(tǒng)和2項CCD實時涂寬檢測系統(tǒng)，來確保面密度的一致，以及涂布位置的準確性。
 
       再比如，在輥壓工序，蜂巢采用了實時在線激光測厚技術，幫助輥壓厚度控制在±3微米以內。
 
       還有，在模切工序上，蜂巢采用2套CCD檢測極片的白點、黑點、劃痕，以及尺寸是否符合要求。
 
       對于人眼不能看出來的問題，機器的視覺可以做到無論巨細，都一覽無遺，幫助把控產品質量。
疊片之前采用激光預定位
 
       第三，蜂巢能源“短刀”產線大量采用了人工智能（AI）技術。
 
       在蜂巢能源開始規(guī)劃建廠時，就以建設車規(guī)級動力電池為標準，而要做到車規(guī)級，就必須大量采用AI技術。
 
       AI要發(fā)揮作用，參照人類的智能，首先它要像人一樣，能有感官來獲取信息，因此，產線必須實現高度數字化，讓人工智能充分掌握產線的信息。
 
       蜂巢能源在這一方面，通過人、機、料、法、環(huán)、測、時間等7維制程管控，實現過程超過2500個因子的監(jiān)控，并可追溯到單電芯每個制程的過程數據。這些數據在手，AI對產線就一覽無遺了。
 
       AI發(fā)揮作用的第二步，是學習。通過大數據的分析，AI逐步建立2500個因子的參數，和產品質量、數量的關系。這一過程中，蜂巢并不依賴它的供應商西門子，而是建立了自己的算法團隊，通過構筑各種模型，來訓練AI。
 
       AI發(fā)揮作用的第三步，是智能反饋、持續(xù)調優(yōu)。在找到各個因子和產品質量、數量關系之后，AI就能尋找最佳參數組合，來提升質量或者效率。
 
       舉例而言，在涂布工序中，β射線檢測系統(tǒng)和CCD涂寬檢測系統(tǒng)與涂布機是實時互動的。一旦檢測設備發(fā)現了面密度和位置的異常，就會自動調整涂布參數，讓涂布機執(zhí)行，使其達到生產的要求。
 
       當前，電池生產也已經成為不同企業(yè)、甚至不同國家爭相布局的業(yè)務。設備的先進水平、智能化水平，則是判斷電池工廠的兩大標準。目前，蜂巢“短刀”工廠，智能制造水平是領先的。
 
       特別是人工智能。先進的設備可以購置或者模仿學習，但是人工智能的布置和進化，需要時間和積累。
 
03
 
持續(xù)進化的“短刀”
 
       蜂巢能源現在的“短刀”產線，生產的是磷酸鐵鋰電池，能量密度達到175Wh/kg。第二代“短刀”，能量密度能做到190Wh/kg。
 
       能量密度的競爭，只是電池競爭的一項。伴隨電動汽車等應用場景的需求，電池還需要在快充倍率、材料供應的穩(wěn)定和經濟、高安全性等許多方面展開競爭。
 
       蜂巢能源的“短刀”如何應對呢？
 
       蜂巢能源的策略是，在堅持“短刀”這一規(guī)格體系的基礎上，不斷研發(fā)、應用新的材料技術，以應對不同的需求。
 
       在能量密度提升方面，蜂巢既有和同行類似的方案，也有自己堅持的方案。
 
      “不管是磷酸鐵鋰混磷酸錳鐵鋰，還是磷酸錳鐵鋰混三元，我們也都在做。” 楊紅新說。
 
       他介紹，采用類似技術，蜂巢2023年就會推出第三代“短刀”，能量密度會進一步提升。
 
       楊紅新介紹，磷酸鐵錳鋰等技術實現了較高能量密度，對三元電池和無鈷電池也提出挑戰(zhàn)。
 
       蜂巢的應對方案是，三元電池仍然堅持中鎳路線，但是提升中鎳的克容量和電壓。“我們2022年上半年就會量產4.4V中鎳高電壓產品。無鈷4.4V的產品也會在今年年底、或2023年的年初量產。”
 
       楊紅新說，通過提升電壓、提升材料整體克容量，三元“短刀”能量密度有望達到250wh/kg，可以鐵錳鋰、鐵鋰拉開一定的差距。
 
       在快充性能方面，蜂巢能源的提升路線圖是：“我們接下來所有的‘短刀’，1.6C是標配，我們正在開發(fā)2C-2.2C的鐵鋰，我們也在預研4C的磷酸鐵鋰。”
 
       除此之外，楊紅新透露，蜂巢能源在研究硅負極，也在開發(fā)固態(tài)電池技術、鈉離子電池正極、負極、電解液等等。
蜂巢能源將有不同尺寸、不同快充能力、適合不同場景、覆蓋全域化學體系的“短刀”產品
 
       對于電池材料的創(chuàng)新和進化，楊紅新認為，“這就是做電池有意思的地方，但是小企業(yè)會跟不上，因為要同時開發(fā)五代、六代產品，十幾種體系配合到一起。龐大的投入，資源的需求，人才的需求，未來幾年以后才會見效益，只有像我們這樣重視研發(fā)，有一定資源的公司才能夠堅持下去，很多小企業(yè)是沒有辦法全面開花做這件事情的。”
 
       確實，當前的電池產業(yè)，早已不是資源密集型產業(yè)，也是技術密集型產業(yè)。無論研發(fā)和生產，都需要巨額的研發(fā)投入，生產設備、工藝創(chuàng)新和應用的投資。這使得電池企業(yè)的存活門檻，會越來越高。
 
       2022年，蜂巢能源的“短刀”電池，出貨量有望超過2GWh，為其全系“短刀”化打開局面。
 
       “短刀”能夠揮舞多久？要看蜂巢能源持續(xù)研發(fā)和生產創(chuàng)新。
 
       研發(fā)方面，蜂巢能源第二代、第三代“短刀”的研發(fā)已經進行。生產方面，首個“短刀”產線建成投產后，蜂巢能源已經積攢了經驗。下一個“短刀”產線，良率會更高、效率也會更高。
 
(責任編輯：子蕊)
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