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(shù)方殼電池廠的卷繞工藝PK。
真能做出來嗎?
2月25日,我有機(jī)會走進(jìn)蜂巢能源常州工廠二期的“短刀”產(chǎn)線,見證“短刀”生產(chǎn)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(chǎn)。
“‘短刀’的產(chǎn)線和全球其他所有電池產(chǎn)線比,都是非常先進(jìn)的……我們對產(chǎn)線非常有信心,能造出高質(zhì)量的電池。”楊紅新說。
在搞定第一代“短刀”的研發(fā)、生產(chǎn)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(yīng)對國內(nèi)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(chǎn)制造,并沒有什么技術(shù)含量。但是,在國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)下,蜂巢能源研發(fā)無鈷電池等新產(chǎn)品、研發(fā)應(yīng)用疊片工藝、機(jī)器視覺、人工智能等新技術(shù),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(chǎn),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(chǎn)。速度很快。
二期8GWh產(chǎn)能中,其中有一條是蜂巢能源特別看重的“短刀”產(chǎn)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(chǎn)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(dá)960mm。
蜂巢能源認(rèn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)工藝也更好實(shí)現(xiàn),做到更高的良品率。
這一切都是理論推導(dǎo),2018年才成立的蜂巢能源,真的能將長達(dá)600mm的電芯做好嗎?
任務(wù)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(chǎn),可以生產(chǎn)三種規(guī)格的電池:VDA、MEB和“短刀”。
無論是哪種電池,生產(chǎn)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(chǎn)流程
就蜂巢能源的“短刀”品類而言,難點(diǎn)在于涂布、輥壓、模切和疊片等工序。因?yàn)殚L度達(dá)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(zhǔn);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(jī),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(jī)之一。
評價涂布工序的好壞,主要是三個指標(biāo),速度、面密度和涂布位置的準(zhǔn)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(nèi),涂布正反面錯位≤0.5mm。
劉小安說,這幾個指標(biāo)都是業(yè)界最好的水平。
“短刀”正極的涂布工序產(chǎn)出物
在涂布之后,需要對極片進(jìn)行輥壓,以確保正負(fù)極和基材緊密貼合,以及實(shí)現(xiàn)高能量密度。“短刀”片的極片很長,輥壓難度也大,因?yàn)楸仨氉龅秸麄極片的高度、密度都高度一致。
這一工序段還有一個難點(diǎn),在輥壓過程中,料區(qū)的鋁箔片和無料區(qū)的鋁箔片,應(yīng)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(jī)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?yàn)閮H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(dāng)于該工序段產(chǎn)品的理論合格率=99.993%)。
在模切環(huán)節(jié),和蜂巢能源一期產(chǎn)線不同,二期蜂巢都采用了激光模切工序。激光模切精準(zhǔn)度更高,產(chǎn)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(nèi),方形鋁殼技術(shù)路線的企業(yè),一般都采取卷繞工序,因?yàn)樗俣瓤,設(shè)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(shù)路線,并成為高速疊片工藝的引領(lǐng)者。
在一期,蜂巢能源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(jī),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了0.4秒/片。另外,在二期產(chǎn)線一個被圍擋起來工序上,蜂巢再進(jìn)一步,實(shí)現(xiàn)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(jīng)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(zhǔn)。劉小安介紹,現(xiàn)在“短刀”疊片工序的對齊度精度是±0.3mm,達(dá)到了業(yè)內(nèi)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(dá)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(shù),來設(shè)置磁懸浮托盤的加速、減速,防止撞擊。
疊片之后的極組,再經(jīng)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(jīng)成為潮流,因?yàn)槟軌蛱嵘芰棵芏,并且和底盤結(jié)合,部分作為結(jié)構(gòu)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(chǎn)線,不僅能夠?qū)㈤L達(dá)600mm的“短刀”生產(chǎn)出來,而且良品率也不錯。
楊紅新介紹,現(xiàn)在“短刀”產(chǎn)線還處在爬坡階段,但良品率已經(jīng)到85-90%的水平。“我們的目標(biāo)是能夠做到和傳統(tǒng)的產(chǎn)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(chǎn)線,不僅是全球最先進(jìn)的電池生產(chǎn)線,也是智能制造的典范。
首先,這個產(chǎn)線應(yīng)用了很多電池生產(chǎn)所需的高端裝備。
最典型的就是超高速疊片機(jī)。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(jìn)的疊片技術(shù)和設(shè)備。但是二期即將啟用的超高速刀片式電芯疊片機(jī),就是蜂巢能源自己研發(fā)設(shè)計,委托設(shè)備廠加工的。
前面提到,這個疊片機(jī)疊片效率可以做到0.125s/片,超越普通卷繞工藝的效率,引領(lǐng)了全球疊片工藝的進(jìn)步。
此外,在勻漿工序中,蜂巢采用了2300L大容量雙行星攪拌設(shè)備。劉小安介紹,這個設(shè)備的單體容量在行業(yè)里是最大的,每罐漿料可生產(chǎn)純
電動車約10輛左右。
其次,這個產(chǎn)線大量應(yīng)用了機(jī)器視覺,幫助實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化和智能化。
“短刀”產(chǎn)線主要用了三種機(jī)器視覺設(shè)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(shù)據(jù),來分析、測量檢測對象的厚度、大小、位置等數(shù)據(jù)。
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(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再通過系統(tǒng)對信號進(jìn)行運(yùn)算,來判別被檢測對象的特征。
蜂巢能源大量應(yīng)用這些設(shè)備,來監(jiān)測監(jiān)測電芯生產(chǎn)品質(zhì)。
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(xiàng)CCD實(shí)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(zhǔn)確性。
再比如,在輥壓工序,蜂巢采用了實(shí)時在線激光測厚技術(shù),幫助輥壓厚度控制在±3微米以內(nèi)。
還有,在模切工序上,蜂巢采用2套CCD檢測極片的白點(diǎn)、黑點(diǎn)、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(jī)器的視覺可以做到無論巨細(xì),都一覽無遺,幫助把控產(chǎn)品質(zhì)量。
疊片之前采用激光預(yù)定位
第三,蜂巢能源“短刀”產(chǎn)線大量采用了人工智能(AI)技術(shù)。
在蜂巢能源開始規(guī)劃建廠時,就以建設(shè)車規(guī)級動力電池為標(biāo)準(zhǔn),而要做到車規(guī)級,就必須大量采用AI技術(shù)。
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(chǎn)線必須實(shí)現(xiàn)高度數(shù)字化,讓人工智能充分掌握產(chǎn)線的信息。
蜂巢能源在這一方面,通過人、機(jī)、料、法、環(huán)、測、時間等7維制程管控,實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在手,AI對產(chǎn)線就一覽無遺了。
AI發(fā)揮作用的第二步,是學(xué)習(xí)。通過大數(shù)據(jù)的分析,AI逐步建立2500個因子的參數(shù),和產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的關(guān)系。這一過程中,蜂巢并不依賴它的供應(yīng)商西門子,而是建立了自己的算法團(tuán)隊(duì),通過構(gòu)筑各種模型,來訓(xùn)練AI。
AI發(fā)揮作用的第三步,是智能反饋、持續(xù)調(diào)優(yōu)。在找到各個因子和產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量關(guān)系之后,AI就能尋找最佳參數(shù)組合,來提升質(zhì)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(jī)是實(shí)時互動的。一旦檢測設(shè)備發(fā)現(xiàn)了面密度和位置的異常,就會自動調(diào)整涂布參數(shù),讓涂布機(jī)執(zhí)行,使其達(dá)到生產(chǎn)的要求。
當(dāng)前,電池生產(chǎn)也已經(jīng)成為不同企業(yè)、甚至不同國家爭相布局的業(yè)務(wù)。設(shè)備的先進(jìn)水平、智能化水平,則是判斷電池工廠的兩大標(biāo)準(zhǔn)。目前,蜂巢“短刀”工廠,智能制造水平是領(lǐng)先的。
特別是人工智能。先進(jìn)的設(shè)備可以購置或者模仿學(xué)習(xí),但是人工智能的布置和進(jìn)化,需要時間和積累。
03
持續(xù)進(jìn)化的“短刀”
蜂巢能源現(xiàn)在的“短刀”產(chǎn)線,生產(chǎn)的是磷酸鐵鋰電池,能量密度達(dá)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(xiàng)。伴隨電動汽車等應(yīng)用場景的需求,電池還需要在快充倍率、材料供應(yīng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)、高安全性等許多方面展開競爭。
蜂巢能源的“短刀”如何應(yīng)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(chǔ)上,不斷研發(fā)、應(yīng)用新的材料技術(shù),以應(yīng)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(shù),蜂巢2023年就會推出第三代“短刀”,能量密度會進(jìn)一步提升。
楊紅新介紹,磷酸鐵錳鋰等技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)4.4V中鎳高電壓產(chǎn)品。無鈷4.4V的產(chǎn)品也會在今年年底、或2023年的年初量產(chǎn)。”
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(dá)到250wh/kg,可以鐵錳鋰、鐵鋰?yán)_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(biāo)配,我們正在開發(fā)2C-2.2C的鐵鋰,我們也在預(yù)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(fù)極,也在開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)、鈉離子電池正極、負(fù)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(xué)體系的“短刀”產(chǎn)品
對于電池材料的創(chuàng)新和進(jìn)化,楊紅新認(rèn)為,“這就是做電池有意思的地方,但是小企業(yè)會跟不上,因?yàn)橐瑫r開發(fā)五代、六代產(chǎn)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(shí),當(dāng)前的電池產(chǎn)業(yè),早已不是資源密集型產(chǎn)業(yè),也是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。無論研發(fā)和生產(chǎn),都需要巨額的研發(fā)投入,生產(chǎn)設(shè)備、工藝創(chuàng)新和應(yīng)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(chǎn)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(jīng)進(jìn)行。生產(chǎn)方面,首個“短刀”產(chǎn)線建成投產(chǎn)后,蜂巢能源已經(jīng)積攢了經(jīng)驗(yàn)。下一個“短刀”產(chǎn)線,良率會更高、效率也會更高。
(責(zé)任編輯:子蕊)