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目前鋰離子電池的疊片技術路線主要分為4類:切疊一體、Z字型疊片、熱復合疊片和卷疊一體。其中Z字型疊片和切疊一體本質均為Z字型疊片,也是國內應用較為廣泛的疊片工藝;熱復合疊片最大的特點為實現正極、負極和隔膜一次性完全切片堆疊,有效提高了疊片及電芯的質量和生產速率,相對而言技術難度更高。
一、切疊一體技術
切疊一體技術本質上依舊為Z型疊片技術,作為Z型疊片技術的一種改良,逐漸成為發展趨勢,其優點在于提升良率和疊片效率。1、提升良率:電池在不同工序轉運過程中容易發生損傷,將多個環節集中到一臺設備上,就能夠在工藝流程上減少電池損傷的可能性。過去傳統的生產方式為疊片機從料盒中取切片進行疊片。取片過程中可能會發生磕碰和極耳翻折,而切疊一體機將極片模切/激光切、Z 字型疊片機、貼膠熱壓機三類機型進行整合,解決了折彎和吸片的問題,通過減少上下料、轉運工序,減少磕碰、提高良率。2、提升疊片效率:切疊一體機將正負極片和隔膜同時收放,在主疊片臺或擺桿作用下,呈Z字型折疊,當疊放至設定片數后,隔膜裁切貼膠,再熱壓成電芯,如先導智能最高疊片效率達800PPM(0.075s/pcs),利元亨高速切疊一體機的疊片速度達 0.15s/pcs(三工位)。
二、Z字型疊片技術
Z型疊片技術是目前較為常見的一種疊片工藝,通過可移動疊片臺拉動隔膜在疊片平臺之間來回移動,實現正極極片和負極極片的交叉堆疊。
Z 型疊片技術的問題在于隔膜容易變形且堆疊效率不高。1、隔膜容易變形:Z 型疊片技術隔膜會隨可移動疊片臺左右擺動,隔膜擺軸容易造成不對稱,導致隔膜變形不一致;隔膜張力每次從零到最大,導致隔膜拉伸不一致、變形,同時隔膜的孔隙率、平均孔徑、比表面積都會有較大的變化,影響電芯質量。2、堆疊效率不高:在疊片過程中,需要擺動隔膜來疊放極片、避讓隔膜交替進行,增加了單次疊片所需要的時間,同時只能實現單片堆疊,疊片效率很難有大的提升,一般為 0.5s/pcs/工位,若電池極片層數為30 層,則完成一個電池的時間為 15 秒,則一分鐘內能完成 4 個電池,即效率僅有 4PPM。
三、熱復合疊片技術
熱復合疊片機的工作原理為正極卷料、負極卷料、隔膜同時進料,在進入加熱裝置前,正極片、負極片通過切刀裁切成所需尺寸的單個極片,正極片、負極片、隔膜的組合體在輥輪的作用下進入加熱系統。加熱后再進行熱輥壓、切刀,將隔膜切斷,形成單個的疊片單元,然后通過機械裝置將單個疊片單元堆疊在一起,之后再對疊片堆進行熱平壓,形成極芯。熱復合一體機的隔膜為涂膠隔膜,受熱有粘性。烘烤后的正負極片與隔膜熱復合,隨后經輥壓,裁切成復合單元。然后有機械手將其轉移至疊片臺進行疊片。疊完后熱壓,再進行貼膠。
熱復合疊片機極片和隔膜同時收放,能夠避免 Z 字型疊片隔膜變形等問題。熱復合疊片工藝中,隔膜和極片所受的拉力方向始終不變、速度保持均勻,相對于卷繞工藝過程中拉力不斷變化、Z型疊片的拉力周期性變化和擺動,熱復合式疊片機在生產過程中連續單方向輸送、速度和張力控制穩定,生產的極芯界面平整,隔膜的機械性能、孔隙率、平均孔徑、極片與隔膜界面等均勻一致,電芯質量更高。熱復合疊片技術難度比Z 型疊片更高,適合高能量密度大電芯。熱復合疊片機比Z型疊片多熱復合和輥壓等工序,技術難度更高,后期注液等工序難度更大;熱復合疊片機同時集成制片、疊片、熱壓一體,高效節能、省空間,更適用于高能量密度大電芯。
四、卷疊一體技術
LG 享有 Stack & Folding 專利,不對外出售,設備商為德國 MANZ,其工藝流程一般是先將正負極片裁切成單元,并通過對轉臺與升降吸盤的設置,分別貼在隔膜上;然后用卷繞的方式將極片分別包裹起來,實現兩組正負極片相間疊放,速度和效率較高。
根據 LG 新能源官網,LG 的 Stack & Folding 專利將一片正極、一片負極和一片隔膜堆疊組成 Bi-cell 后,再將多個 Bi-cell 折疊組成一個電池。在正負極片之間 LG 新能源還利用其專有的 SRS(Safety Reinforced Separator)隔膜,該技術是在隔膜上涂覆陶瓷并加熱來增加機械強度,從而防止內部短路,大大提高了電池安全性和性能。