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100张图看懂:锂电池生产的材料与设备
根据预测,2021年中国汽车总销量有望达到2610万辆,其中,新能源汽车销量340万辆,同比增长1.5倍,占比超过13%,这一增速超过了此前大家的预测,新能源汽车发展进入快车道。新能源汽车的快速发展带动了动力电池的高速增长。对于电动汽车来说,所谓的“三电”,即电池、电机、电控是其核心。目前来说,动力锂电池是最主流的电池技术,其涉及上下游范围广、行业机遇多。在看本文前,请大家识别下方二维码加入锂电池产业链微信群




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动力电池生产流程一般可以分为前段、中段和后段三个部分。其中,前段工序包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切等,中段工序包括卷绕/叠片、封装、烘干、注液、封口、清洗等,后段主要为化成、分容、PACK等。我们就来看看涉及的材料和设备。当然,这里小编仅仅是列出部分主要设备,其他的还请大家加群来补充。
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图:动力电池生产工艺流程

(一)正负极相关材料及设备

动力锂电池的电池包一般可分为电芯、模组、箱体、热管理系统、电气系统、BMS等部分,他们的设计、结构、功能等涉及不同的知识和技术、不同的材料。
图:电池包,亿纬锂能

电池电芯部分主要由正、负极材料、电解液、隔膜组成。动力电池材料从正负极开始,主要有镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、磷酸锰铁锂、镍钴铝等,负极材料有:石墨、石油焦、硬碳负极、碳硅负极、导电添加剂、碳纳米管、导电石墨、导电炭黑、负极辅材、增稠剂、分散剂、纳米硅粉等。这些类型材料种类众多,同时又有各种辅材,添加剂,形成了一个庞大的产业链。


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图:锂电池负极材料,埃肯   


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图:二氟草酸硼酸锂,多氟多  


在正负极材料生产过程中粉体制备,烧结,喷雾干燥等设备尤为重要,在工厂生产投资中占据很大的比例。砂磨机,陶瓷配件,研磨介质,粉体输送,粉体干燥,热工装备,包装出库等等。


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图:砂磨机陶瓷配件及研磨介质,康柏陶瓷


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图:失重式喂料机,东西贸易-久保田


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图:锂电池正极材料烧结生产线示意, 合肥恒力


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图:锂电池正极材料烧结匣钵,宜兴锦泰耐火材料


锂电池正负极材料的生产设备非常多,不过我们可以从化学实验中来归纳这些设备,正极材料的生产是需要精确控制数量,温度,要实现工业化大批量生产,同时还有对品质的要求,比如粉体颗粒大小,均匀度,最后包装出库,方便下一个环节生产。


(二)隔膜材料及设备


其中锂电池隔膜主要用到了高等规度的PE、PP材料,以及PI、芳纶、UHMWPE等,加工工艺可分为湿法和干法,湿法一般都需要进行涂覆处理,会用到氧化铝陶瓷、PVDF等涂层材料。



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 图:隔膜涂覆浆料助剂, 毕克化学

另外,正极粘接剂多用特殊结构的的PVDF材料,负极粘接会用到丁苯橡胶SBR、聚丙烯酸PAA等高分子材料。


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 图:锂电池重要材料PVDF, 阿科玛


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 图:锂电池水性粘接剂SBR, JSR


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 图:锂电池水性粘接剂SBR,盛禧奥


大家有没有看出,隔膜会用到哪些设备呢?搅拌,涂布及干燥,分条,检测其相关设备。来看几张图:


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图:锂电池隔膜涂布机,启成


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图:锂电池隔膜红外干燥配件, 贺利氏


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(三)电池包相关材料及设备
电池根据其外形不同,又分为圆柱电池、软包电池和方形电池,其中软包电池“外衣”为铝塑膜,为CPP、铝箔、PA等的复合薄膜,厚度只有十几到几十微米,具有较高的技术含量。
       
从左到右:圆柱电池、软包电池、方形电池

电池模组是将若干单体电芯通过导电连接件串、并联成一个电源,模组的基本作用是连接、固定和安全防护。模组对材料既有结构的要求,也有功能的要求,使用的高分子材料有阻燃的PP、PA、PC、PC/ABS等。


电池包箱体起着保护和支撑模组的作用,箱体重量占整车比重较高,其轻量化是重要开发方向,所用高分子材料包括SMC、CFRP等。

电池热管理系统与燃油车热管理系统出现了明显区别,不仅要制冷,还要有制热功能,冷却介质更多使用水冷和油冷,三相材料也在进行应用研究,所涉及的冷却管路材料由之前的金属和橡胶转向PA和TPV。

电池电气系统则包括高压接插件、高压线路等,由于充放电过程会用到较高的电压(如800V直流),其对材料的电气、阻燃性能要求较高,会用到高要求的PA、PBT等材料。

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图:塑料在电池领域应用,阿科玛

另外,充电设施对应的充电桩、充电枪等也会用到较多高分子材料,如PA、PBT、PC/ABS、PP、热塑性弹性体等。


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图:汽车用连接器、充电枪、排线,飞荣达


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图:有机硅弹性体在充电线缆应用,埃肯



在电池的封装过程中,还会用到各种辅材,如结构胶、导热胶、阻燃泡沫等等,涉及材料有硅胶垫片、聚氨酯泡棉等。

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图:电池包材料解决方案,隔热材料、透气膜、硅胶泡棉、支撑垫等,罗杰斯


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图:电池包导热胶、密封胶、填缝剂等,硅宝


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图:积水化学电池包材料解决方案,分散材料,凝吸热胶,狭缝胶,耐热PU等



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图:电池包材料解决方案,阻火、导热、热管理、泡棉,垫片等,圣戈班


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图:电池包铝塑膜,明冠新材


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图:软包电池铝塑膜生产设备,新达机械


根据电芯与导电母排的连接方式,模组可以分成焊接、螺接、机械压接三种加工形式,涉及到激光焊接等工艺。一般来说自动化生产线都会以下设备


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(四)锂电池产业相关的检测设备
在锂电池生产过程中会有粉体材料检测,隔膜质量检测,电性能检测,形貌检测,光学检测等等。大家可以看看图片:


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