安永-2022锂电池制程10大技术趋势报告-2022.11-28正式版.doc

锂电池制程10大技术趋势Strategy realized第 1 页1 全球新能源政策翟飚交通行业是碳排放排Bob名Zhai前三的领域全球新能源政策指引交通行业减碳大中华区合伙人战略咨询2021年碳排放量行业分布居民消费bob.zhai加快形成绿色低碳运输方式，确保交通运输领域碳排放增长保持在合理区间。推动运输工具装备低碳转型，10%大力推广新能源汽车，逐步降低传统燃油汽车在新车交通 21%全电力产销和汽车保有量中的占比，推动城市公共服务车辆球40%电动化替代中国2030年碳达峰行动方案29%工业确保实现100%清洁能源经济，并在2050年前达净零居民消费碳排放，短期使用联邦政府的采购系统实现零放车辆，并制定严格的新燃油经济性标准，确保100%新销售12%电力美31%的轻型/中型车辆实现电动化，中长期加快电动车的推广，2030年底之前部署超过50万个新的公共充电37%国网点交通20%美国清洁能源革命和环境计划工业加速汽车电动化进程、增加高速铁路的交通运载量、20%电力规模推广自动化交通装备、推动零排放船舶进入市场、29%部署更多共享自行车基础设施等，最终构建一个清洁居民消费欧电力的多式联运网络体系。力争2050年交通领域的碳排盟放在2020年水平上减少90%.工业31%20%欧盟可持续与智能交通战略交通交通工业 居民消费锂电池的发展紧密关系国家能源安全大力推动锂电池、电化学储能、电动汽车等新能源领域重要技术和基础装备的发展，逐步降低对石油的依赖，探索出一条可持续能源安全路径是全球诸多国家的重要战略方向20122021增长全球电化学储能装机规120x20模（GW）全球锂电池市场出货量40562x14（GWh）全球新能源汽车销量15653x44（万辆）数据来源：Carbon Monitor、EVTank、方正证券、国信证券、公开资料、大东时代智库（TD）、安永分析第 2 页1 全球锂电池市场规模翟飚全球及欧美锂电Bob池Zhai市场规模预测大中华区合伙人战略咨询锂电池的增长驱动力来自于新能源汽车和储能进入快车道bob.zhai全球及欧美锂电池市场需求量（单位：GWh）4,7359231210驱动力1：新能源汽车多国宣布2050/2060实现“碳中和”，新能源汽车作为减碳环节重要一环，多国发布相关政策推动零排放的新能源汽车发展，行业迎来蓬勃发展窗口期全球及欧美新能源汽车销量13,773（单位：万辆）6371,9191,3641,611美国1,281266217979646欧洲16153865310359309419其他22020212022预计 2023预计 2024预计 2025预计 2030预计1,5159601,206277765550204461871453854625931820220212022预计 2023预计 2024预计 2025预计 2030预计 美国 欧洲 其他注：1. 此处新能源汽车销量只包含BEV、PHEV、EREV车型的销量驱动力2：储能在双碳目标下，可再生能源战略地位凸显，储能作为支撑可再生能源发展的关键技术正迎来曙光，储能电池市场预期未来将呈爆发式增长全球及欧美电化学储能装机规模（单位：GW）3589948美国83133欧洲335239其他2025161610101366820212022预计 2023预计 2024预计 2025预计 2030预计数据来源：LMC Automotive、EVTank、浙商证券、彭博新能源金融、智研咨询、公开信息、大东时代智库（TD）、 安永分析第 3 页1 中日韩以外的建设锂电池产能的挑战与瓶颈中日韩外，全球其他区域锂电池发展迟缓主要面临缺乏技术基础、产业链支撑、核心人才及建设经验四大挑战全球动力电池装机量排行榜及占比GWh，%，2021挑战1：缺乏技术基础挑战2：缺乏产业链支撑所属国家厂商装机量占比中国公司A96.732.6%韩国公司B60.220.3%日本公司C36.112.2%中国公司D26.38.8%韩国公司E16.75.6%例1：欧洲在电芯主要构件，如正负极材料、电解液和隔膜的技术储备上落后亚洲多年例2：印度、东南亚等国缺乏本土大型领军企业及相关技术积淀.例1：美国电池正负极材料、电解液、电池隔膜等原材料均依赖海外加工进口例2：欧洲矿产资源缺乏，电解液、隔膜供应由亚洲生产商主导.韩国公司F13.24.5%中国公司G7.92.7%中国公司H6.42.1%4.2中国公司I1.4%3.1中国公司J1.0%26.0其他8.8%合计296.8100%挑战3：缺乏核心人才挑战4：缺乏建设经验例1：北美制造业熟练工程师缺乏，例1：美国制造业空心化使生产成本高需引入技术人才，成本较高昂，A123曾试图将产线回迁但亏损严重，例2：欧洲整体劳动力不足，需要从最终被中企收购告终亚洲引入人才，但劳工签证申请流程例2：欧洲在集成、调校、标定、成本较为复杂控制等方面缺乏系统方法论支撑.数据来源：案头研究、大东时代智库（TD）、安永分析第 4 页2 极片段制程痛点难点极片段搅拌的痛点涂布的痛点辊压分条的痛点核1.能耗高心1.搅拌不均匀痛2.颗粒、杂质、粉尘、成分在线数据缺乏2.来料浆料的粘度、固含量、杂质在线数据缺1.膜区和箔区延展不一致点乏2.厚度一致性难以把控3.搅拌过程中有杂质混入3.输出质量的全额表征在线反馈控制难以把握1. 搅拌不均匀电池内部材料分布偏差降1.涂布机目前单位能耗2.33KWh/Wh1.膜区和箔区延展不一致，产生弧高/波浪边，低电池容量、增大电池内阻，减少电池的2.来料浆料的粘度、固含量、杂质无法在线获导致断带引循环寿命引发安全问题取，涂布不均匀，影响涂布质量2.厚度一致性差，当电流密度不同时，极易发2. 颗粒、杂质、粉尘、成分在线数据缺乏，3.输出质量的全额表征：干燥度、极片空隙率、引起枝晶锂的析出，对电芯性能不利。电问涂布尺度在线反馈控制难以把握，次品率高池极化严重，影响电芯容量题无法优化质量3. 搅拌中杂质混入杂质刺穿隔膜电池内短路，自放电异常，降低电池寿命安全问题数据来源：锂电池制造工艺控制及潜在问题分析、锂电池智能制造装备标准体系研究、专利检索、大东时代智库（TD）、安永分析第 5 页2 装配段制程痛点难点装配段真空干燥的痛点制芯的痛点装配的痛点核心1. 水含量过高1. 出现粉尘和毛刺1. 搬运过多造成机损痛2. 湿度高效控制与电池性能的定量对应管理2. 精度、毛刺、缺陷的在线检测2. 电芯中转损坏点3. 组装工艺参数的在线控制、制造模型优化1. 水分含量过高会导致产品报废、品质下降，1. 切片产生毛刺和粉尘电池短路电池安1. 装配设备在搬运过多之后容易造成机损甚至产品爆炸全隐患2. 装配完成的锂电池需在装配机构内部进行引2. 空气湿度过高，锂电池会吸收空气中的水2. 对于电芯有关精度、毛刺、缺陷检测不到取拿损坏装配机构并且容易损坏电芯，发分，其内部湿度也会相应增加。充电后，位，影响芯片的质量成本较高问水分会分解，电池内部压力高。同时，在3. 组装工艺参数的在线控制、制造模型优化题电解液注入过程中，容易造成鼓壳，影响如果管理不当，会影响组装的效率和质量厚度和SEI膜，不完全形成等等数据来源：锂电池制造工艺控制及潜在问题分析、锂电池智能制造装备标准体系研究、专利检索、大东时代智库（TD）、安永分析第 6 页2 分容化成段制程痛点难点分容化成段化成的痛点分容的痛点立体仓库的痛点核心1. 能耗把控1.散热效果一般，功耗大痛1.周转时间长，效率低点2. 测试有效性2.电容量测量不准确2.搬运过多造成机损1.电极的烘干过程和电池生产过程中干燥间的1. 对电芯进行充放电充放电板产生大量的1. 现有立体仓库出库时，需将同层的托盘都进干燥机组运行成本使得能耗较高热损耗，温度过高损坏电子元件利用行周转流出，长度较大同层托盘周转的时引2.电芯种类繁多、型号差别大，对于化成分容空调和大量风机对充放电板吹风，空调和间非常长，工作效率较低物流不通畅，出发测试设备的有效性和兼容性有更高的要求，风机距离充放电板距离较远散热效果一入库效率低下问题如果有效性不高，将会使得化成环节费时费般且空调和风机的功耗大2. 搬运过程复杂且频繁，搬运过多容易造成机力2. 对锂电池电容量进行检测，锂电池因自身损，装配过程中容易频繁宕机，故障率较高的电流或电压不同而热量不同锂电池所处的环境温度高低不均且不恒定电容量测量不准确数据来源：锂电池制造工艺控制及潜在问题分析、锂电池智能制造装备标准体系研究、专利检索、大东时代智库（TD）、安永分析第 7 页2 模组/PACK段制程痛点难点模组/PACK段模组装配的痛点PACK的痛点核心痛1.单体电芯，软件逻辑处理复杂，涂胶点2.激光焊接，侧缝焊，BUSBAR焊难度大，测试难1. 单体电芯的软件逻辑处理复杂，会耗费大量的时间和成本；电芯太凹会出现压胶面积不足，导致电芯固定失效，长期车辆行驶模引 组开裂，带来行驶安全风险；电芯太凸出现溢胶，导致设备沾污发和消耗人力清胶，残胶诱发蓝膜破损，引起绝缘失效风险问2. 激光焊接，侧缝焊，BUSBAR焊难度大。特别是模组busbar焊接，题在焊接后需要检测焊缝是否存在爆孔、焊渣余高以及测量焊缝的长度、宽度是否达到规格，否则会严重影响焊缝质量1. 自动化率低，50%不到2. 换型比较频繁，车型迭代快，电池技术不确定3. 技术/产品标准化缺乏1. 自动化率低，产品单一，产能低，人工产品切换，交付周期长，产线智能化低，产品质量不稳定2. 电池技术迭代频繁，需要频繁换型，技术也难以确定，导致PACK成本增加3. 下游的锂电池制造工艺尚未统一、市场上锂电池规格型号多种多样，导致设备行业难以实现标准化数据来源：锂电池制造工艺控制及潜在问题分析、锂电池智能制造装备标准体系研究、专利检索、大东时代智库（TD）、安永分析第 8 页2 锂电池生产关键点膜区和箔区延测试有效性周转时间长，效率低搅拌不均匀展不一致精度、毛刺、缺陷的在线检测颗粒、杂质、粉尘、成分数搬运过多造据在线获取，无法优化质量成机损辊面平整性控制搅拌过程中有杂质混入出现粉尘和毛刺能耗把控自动化率低，50%不到换型比较频繁，车迭代，电池技术不确定技术/产品标准化缺乏搅拌涂布辊压分条真空干燥制芯装配化成分容立体仓库模组装配PACK能耗难以控制来料浆料的粘度、 固含量、杂质无法在线获取输出质量的全额表征： 干燥度、极片空隙率、 涂布尺度在线反馈控制 难以把握 水含量过高 湿度高效控制与电池性能的定量对应管理搬运过多造成机损组装工艺参数的在线控制、制造模型优化电芯中转损坏散热效果一单体电芯，软般，功耗大件逻辑处理复杂，涂胶电容量测量不准确激光焊接，侧缝焊，BUSBAR焊难 度大，测试难数据来源：锂电池制造工艺控制及潜在问题分析、大东时代智库（TD）、安永分析第 9 页1 锂电池生产仿真技术全面多层次锂电池仿真解决方案生产工艺搅拌涂布辊压1. 搅拌槽模型的建立解 2. 对搅拌罐内的流场分布情况进行固液两相混合三维模拟决的3. 分析流场的速度，固相体积浓度等分布情况问4. 对锂电池负极浆料进行搅拌混合实验，并考题察不同工艺参数对混合浆料的粘度、固含量以及极片表面形貌的影响应用的场景1. 建立涂布机基材部件及装配几何模型2. 建立涂布浆料材料属性3. 创建分析部，及输出结果设定4. 创建接触特性及参考约束5. 划分网格6. 创建载荷及边界条件7. 创建分析任务、提交、及后处理1. 构建微观至介观尺度下的轧辊、涂覆材料和电池极片的粗粒化粒子模型2. 根据预设的辊压参数，基于辊轮、涂覆材料和电池极片的粗粒化粒子模型，进行电池极片辊压的分子动力学模拟仿真，得到电池极片辊压仿真结果数据来源：西门子、全面多层次锂电池仿真解决方案、锂离子电池挤压式涂布研究、大东时代智库（TD）、安永分析第 10 页1 锂电池生产仿真技术（续）全面多层次锂电池仿真解决方案生产工艺干燥注液化成1.基于工业机器人的运动仿真技术进行锂电池1.建立注液系统相关参数1.化成工序的模拟仿真解全自动干燥2.构建注液激活系统模型2.根据实际化成车间技术要求，仿真运行化成2.对锂电池电芯干燥之前，由六轴机器人结合决3.提取流体域，采用 ICEM 对模型进行网格划分工艺柔性模组进行智能化上料的3.模型运行结束后，根据分析需求导出统计数3.干燥过程由闭环控温系统进行智能监测及控4.注液激活系统模拟问据，统计各个设备的运行状态（堆垛机）等，制题寻找系统瓶颈，提高产线效率4. 干燥完成后由六轴机器人结合柔性模组进行智能化下料，干燥工序实现全程无人化应用的场景数据来源：先进仿真技术加速电动汽车动力电池开发、全面多层次锂电池仿真解决方案、专利检索、大东时代智库（TD）、安永分析第 11 页2 锂电设备一体化现状 涂布-辊压-分条一体机 辊压-分条一体机 激光切-卷绕/叠片一体机锂电设备一体化未来 搅拌-涂布-辊压-分条一体机（极片一体机） 辊压分切-激光分条-卷绕/叠片一体机 装配一体机涂布-辊压-分条一体机面密度单面<±1.2%，双面<±1.0% ，CPK>1.67；100%解决极片边缘裂纹现象，实现24小时不停机。实现减少收缩放卷机构、减少对接AGV投入，用人减少后人工成本降低70%，空间能耗减低75%，还可以减少重复收放卷原材料的损耗，最高可减少50%以上辊压-分条一体机宽幅：950-1400mm，辊压压力Max.500T,辊缝间隙0-1.5mm，分条宽度Min.80mm,分条宽度精度±0.1mm，辊压分条速度Max.120m/min,分条方式：一切多，圆刀分切激光切-卷绕/叠片一体机产能100m/min，精度也比传统的模切大大提高。1台激光切卷绕一体机=2台模切机+1台传统卷绕机，节省空间和人力成本，还节省了模切到卷绕间的搬运过程，生产安全性提高锂电工艺做“减法”新的技术趋势极片制造装配段1.串联化成技术已成熟应用；未来的一体化趋势是化成界面可控 和容量预测；一体化最终当电池一致性达到CPK2.0以上，可以取消分容1. “刀片电池”方案的出现，通过电芯2.当前段工艺可控，容量检测环节可被取消尺寸维度来达到简化电池包结构的3.通过补锂技术，可实现电芯初始带目的电，分容检测将可被取消2. 特斯拉的无溶剂干电池方案，简化了电芯电极的制造工艺未来通过简化生产工艺，可以大大缩短锂电的制造周期，降低成本搅拌-涂布-辊压-分条一体机（极片一体机）、辊压分切-激光分条-卷绕/叠片一体机、装配一体机将成为未来的趋势与可能数据来源：锂电设备龙头企业官网、锂电行业的“减法”之锂电工艺、大东时代智库（TD）、安永分析第 12 页3 激光技术在各工段广泛应用极耳切割成型极片分切隔膜分切切割对象切割工艺激光切割优势未来展望 极耳是电池正负极引出的金属导电体，充放电时会和外界接触 激光在极片上切割出正负极耳 极耳对齐度、尺寸、粉尘毛刺等将引起自放电或者短路 无耗材、速度快、切割质量稳定 设计灵活性高，适用于不同种类和规格的电池 锂离子电池极片经过浆料涂敷、干燥、辊压之后，形成集流体及两面涂层的三层复合结构 利用激光束照射电池极片，使极片迅速形成孔洞，光束移动使孔洞连续形成切缝 激光切割具有生产效率高，工艺稳定性好的特点 隔膜采用PP/PE膜制成，承担防止短路以及过热时阻隔电池中电流传导的功能 隔膜卷料经分切工序分割成符合要求的规格尺寸和品质要求的卷料 隔离膜是有机化合物构成，采用激光切割效果良好 整体来看目前极耳切割的技术趋势是切割速度越来越快，切割质量要 动力电池性能不断提升倒逼锂电设备智能制造升级，对激光器在光电转换效率和节能减耗方面提出更高的要求。激光切割在动力电池领域的应用求越来越高。此外，正极涂覆层材料成分与密度变化、非金属材料夹心结构等新设计对切割工艺的要求也越来越高数据来源：高速激光微加工在新能源锂电池上的应用研究、申万宏源研究、大东时代智库（TD）、安永分析第 13 页3 激光技术在各工段广泛应用（续）激光切割在汽车铝壳锂电池行业的应用激光焊接在汽车铝壳锂电池行业的应用焊接部位材料电池外形方形 作用：紫铜具有优良的铝合金紫铜塑性、导电性、导热性、耐蚀性、良好的工艺性 作用：重量轻，韧性能 应用领域：紫铜的焊接好，强度高，使用铝主要是钎焊、气焊、手合金可提高其加工速工电弧焊、TIG焊度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量焊接部位 应用领域：通过脉冲或连续激光束实现焊接方式拼接焊叠焊防爆阀极柱软连接壳体封口注液孔模组数据来源：高速激光微加工在新能源锂电池上的应用研究、申万宏源研究、大东时代智库（TD）、安永分析第 14 页3 激光技术在各工段广泛应用（续）激光设备主要应用于前端制片、中段焊接以及后段模组pack环节浆料搅拌搅拌机第一工序段极片涂布涂布机极片极片辊压辊压机制极片分切分条机作未来的应用领域制片全自动极耳焊接制片机、激光极耳成型制片机防爆阀焊接连续激光焊接、复合焊接第二工序段卷绕/叠片卷绕机、叠片机三维振镜飞行焊接转接片焊接转接片激光焊接机电电芯入壳入壳预焊机现状顶盖侧焊芯外壳顶盖焊顶盖焊接机（满焊）组装注液注液机负极削薄区的清洗化成化成柜注液口封装密封钉焊接机第三工序段分容分容柜后测试分档电池测试设备、分档机处理Pack模组转接片焊接机（极柱焊接）数据来源：高速激光微加工在新能源锂电池上的应用研究、申万宏源研究、大东时代智库（TD）、安永分析第 15 页4 视觉技术在各工段广泛应用现状未来制片搅拌涂布辊压分切五金切激光切叠片烘干注液封口及制芯入壳焊接卷绕