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揭秘比亞迪刀片電池是如何生產(chǎn)出來(lái)的?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:5326次  |  2021年12月14日  

隨著新能源補(bǔ)貼的下降,市場(chǎng)對(duì)于高能量密度的瘋狂追捧終于有所克制,冷靜下來(lái)的人們又想起了那個(gè)還在原點(diǎn)的問(wèn)題,電動(dòng)汽車究竟需要怎樣的動(dòng)力電池?從現(xiàn)有的純電動(dòng)路線來(lái)看,短期內(nèi)電池和充電技術(shù)也難得到突破,而此前各家的續(xù)航里程“競(jìng)賽”還進(jìn)一步惡化了純電動(dòng)車安全性問(wèn)題。因此在“后補(bǔ)貼時(shí)代”,成本和安全正在逐漸取代能量密度,成為新一輪的關(guān)注重點(diǎn)。


其實(shí)純電動(dòng)車發(fā)展至今,很多東西已經(jīng)很難回頭,由于固態(tài)電池等新型電池的研發(fā)尚需時(shí)日,行業(yè)在面對(duì)日趨棘手的成本、安全矛盾時(shí),一些廠商把目光又放回了曾經(jīng)被“打入冷宮”的磷酸鐵鋰電池。這其中比亞迪可謂是一個(gè)堅(jiān)定的信徒,之前屢次“收割”關(guān)注的刀片電池便是一種磷酸鐵鋰的新產(chǎn)品,不過(guò)之前刀片電池也只是“只聞其名,不見(jiàn)其人”,這一次我們走進(jìn)比亞迪位于重慶的刀片電池工廠,帶大家探尋其中的“秘密”。


重慶璧山的比亞迪刀片電池工廠其實(shí)名為弗迪鋰電池有限公司,是由之前的比亞迪鋰電池有限公司獨(dú)立而來(lái),目前已經(jīng)正式投產(chǎn)。按照計(jì)劃,這家總投資100億,占地面積約1500畝的電池工廠,總共將建設(shè)8條鋰離子電池生產(chǎn)線,建成后具備20Gwh生產(chǎn)能力,市場(chǎng)關(guān)注的刀片電池就在這里誕生。


1、業(yè)界最快疊片速度


從重慶市中心向西駕車一個(gè)多小時(shí),是近幾年發(fā)展迅速的璧山區(qū)。它被重慶規(guī)劃部門稱作未來(lái)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。璧山國(guó)家高新區(qū),也是全國(guó)首批智能化試點(diǎn)示范工業(yè)園區(qū)。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

2018年8月,一個(gè)大項(xiàng)目落在了這里——璧山區(qū)與比亞迪簽下了年產(chǎn)20GWh的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。項(xiàng)目總投資人民幣100億元,主要包括動(dòng)力電池電芯、模組以及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)等核心產(chǎn)品制造。


資料來(lái)源:弗迪電池


2019年2月22日,項(xiàng)目開(kāi)工。一年之后,工廠建成投產(chǎn)。2020年3月,比亞迪通過(guò)一場(chǎng)在線發(fā)布會(huì),將這個(gè)工廠的產(chǎn)品——刀片電池介紹給了全世界關(guān)注電動(dòng)汽車的人們。


刀片電池仍然是磷酸鐵鋰電池,但是其結(jié)構(gòu)、規(guī)格都和以往大不相同。因此,比亞迪也為它全新設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線。


我們的參觀沿著電池生產(chǎn)流程走,基本工序并沒(méi)有變化。但是每一個(gè)工序的品質(zhì)控制能力、生產(chǎn)效率、高度自動(dòng)化、數(shù)字化,體現(xiàn)出世界最先進(jìn)動(dòng)力電池工廠的追求。

無(wú)人船智能鋰電池
IP67防水,充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

突出的特點(diǎn)和工藝有幾個(gè):


(1)環(huán)境控制


在電池生產(chǎn)過(guò)程中,空氣潔凈度與電池品質(zhì)高度相關(guān)??諝庵邪ǚ蹓m、金屬顆粒和水分,都可以說(shuō)是電池安全之?dāng)?。首要的又是粉塵控制,粉塵如果帶入電池,可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,甚至隔膜的刺穿,以及自放電等問(wèn)題。


比亞迪為此對(duì)車間整體做了無(wú)塵設(shè)計(jì),整體是萬(wàn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn),關(guān)鍵工序達(dá)到了百級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。


所謂百級(jí)標(biāo)準(zhǔn),孫華軍介紹說(shuō),一立方米空間內(nèi),5微米(頭發(fā)絲1/20粗細(xì))的顆粒不超過(guò)29個(gè),這達(dá)到了與液晶屏生產(chǎn)車間相同的標(biāo)準(zhǔn)。


(2)寬幅涂布和輥壓


刀片電池長(zhǎng)96厘米,也就需要大概這么長(zhǎng)的極片,涂布和輥壓工藝,都必須支持這個(gè)寬度。


弗迪工廠的涂布工藝,支持最大寬度達(dá)130厘米,同時(shí)還是雙面同時(shí)涂布,單位面積涂敷重量偏差小于1%。


弗迪工廠寬幅涂布工藝


輥壓工藝中,可以支持120厘米超大寬幅,輥壓速度還能達(dá)到120m/min,厚度控制2μm以內(nèi),確保寬尺寸極片厚度的一致性。


在120厘米的寬度下,極片中間部分受力不如兩側(cè),可能厚度會(huì)比兩側(cè)高。為此,弗迪工廠的輥壓機(jī)還采用了彎缸工藝,對(duì)軋輥進(jìn)行平行度校正,以確保輥壓后的極片厚度一致性。


(3)高速疊片


相對(duì)于卷繞電芯來(lái)說(shuō),疊片電芯的好處多多,但是就一條,工藝難。首先,極片分切精度和一致性要很高;其次,堆疊時(shí)對(duì)齊精度要很高;第三,基于前兩者,一般來(lái)說(shuō)疊片效率要低于卷繞。


比亞迪此前的電池基本都是卷繞。但弗迪工廠的刀片電池,采用的是疊片工藝,而且是比亞迪完全獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)的設(shè)備和裁切方案。設(shè)計(jì)的疊片速度在0.3s/pcs,工廠的介紹說(shuō),這是業(yè)界最高水平??上⒂^環(huán)節(jié)不包括疊片工序。


(4)加壓注液


刀片電池這樣一個(gè)狹長(zhǎng)的大電芯,如何讓電解液充分注入并吸收,也是挑戰(zhàn)。比亞迪自主研發(fā)了太空艙加壓注液技術(shù),先采用真空負(fù)壓將電池殼體內(nèi)的空氣排空,再用加壓方式將電解液充分注入。


總體而言,刀片電池工廠是達(dá)到工業(yè)4.0級(jí)別的制造、管理系統(tǒng),在品控體系上符合IATF16949&VDA6.3標(biāo)準(zhǔn)。IATF16949國(guó)際汽車工作組的質(zhì)量管理體系,VDA則是德國(guó)汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)制定的德國(guó)汽車工業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。刀片電池工廠雖然不說(shuō)自己是車規(guī)級(jí)工廠,但各項(xiàng)要求都是對(duì)標(biāo)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的。


2、刀片的誕生


這次刀片電池工廠的開(kāi)放參觀,也透露了刀片電池的誕生經(jīng)過(guò)。


之所以把電池做長(zhǎng),是因?yàn)殡姵匕w積能量密度提升的需求。“我們想要把電池包內(nèi)部浪費(fèi)的空間利用起來(lái)?!睂O華軍說(shuō)。


將電芯做大、做長(zhǎng),減少電芯數(shù)量,充分利用空間,是很多電池廠都能想到的改進(jìn)方案。不過(guò),要做到將近1米的長(zhǎng)度,很多同行不敢想?!八麄兓旧隙颊J(rèn)為1米的電池不太可能(做得出)。所以我覺(jué)得這首先還是敢不敢想的問(wèn)題。”孫華軍說(shuō)。


刀片電池成品


比亞迪如何能實(shí)現(xiàn)?“我覺(jué)得是基于持續(xù)的、執(zhí)著的深耕,以及這種結(jié)構(gòu)的技術(shù)的積累。”


所謂積累,是比亞迪做了18年磷酸鐵鋰電池,最近的12年間,不斷往長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)發(fā)展,長(zhǎng)寬比從3.5到3.8,最終達(dá)到10.6、狹長(zhǎng)如刀片的電池設(shè)計(jì)。刀片,不是一天變長(zhǎng)的。


不過(guò),自設(shè)計(jì)到誕生,比亞迪也花了一年半時(shí)間,包括先做計(jì)算仿真,通過(guò)專家技術(shù)評(píng)審,經(jīng)過(guò)手板樣件、模具樣件、OTS樣件、小批量試制樣件四輪驗(yàn)證測(cè)試,才最終批量生產(chǎn)。


3、低溫性能不弱于三元


在3月份的刀片電池發(fā)布會(huì)上,比亞迪主要講述刀片電池的高安全性——能通過(guò)針刺測(cè)試,以及體積能量密度的大幅提升,使得搭載刀片電池的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程也能突破600公里。


不過(guò),業(yè)界基于磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn),對(duì)刀片電池的低溫性能,充電功率等都還有疑問(wèn)。


孫華軍這次對(duì)刀片電池的性能做了全面解析,提出超級(jí)安全、超級(jí)強(qiáng)度、超級(jí)續(xù)航、超級(jí)低溫、超級(jí)壽命和超級(jí)功率六大特點(diǎn)。


安全、強(qiáng)度、續(xù)航在上次發(fā)布會(huì)已經(jīng)披露了不少。刀片電池的低溫、壽命和功率特性,比亞迪是首次披露。


一般而言,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為磷酸鐵鋰電池低溫性能不如三元電池。但是,根據(jù)孫華軍介紹,刀片電池在低溫充電時(shí)間上比三元略長(zhǎng);充電功率方面,如果是高電量,磷酸鐵鋰優(yōu)于三元,如果是低電量,磷酸鐵鋰不如三元,但是滿足需求。


低溫放電方面,刀片電池即便是在——20℃,都還能放出90%的電量,但他沒(méi)有提供和三元的對(duì)比。低溫放電功率方面,磷酸鐵鋰優(yōu)于三元。


這樣的表現(xiàn)應(yīng)該說(shuō)超出預(yù)期,原因何在?


孫華軍解釋,解決低溫性能,主要兩個(gè)途徑。一是在材料層面,采用納米化的磷酸鐵鋰。


這是業(yè)界常見(jiàn)的解決方案。一般認(rèn)為,納米化減小了材料粒徑,從而縮短鋰離子的遷移路徑,改善功率性能。


另一個(gè)途徑是系統(tǒng)層面,對(duì)電池包進(jìn)行熱管理。孫華軍介紹,刀片電池在結(jié)構(gòu)上,底層有保溫材料,上層有液冷的熱管理系統(tǒng),再上層還有保溫棉。


孫華軍說(shuō),基于這一套熱管理系統(tǒng),在冬季實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力的表現(xiàn)非常好;夏季實(shí)驗(yàn)中,電池包溫度的均勻性,散熱的能力,也是滿足要求?!翱傮w上,這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu),能夠讓我們的電池包適應(yīng)非常寬的溫度范圍?!?/p>


在壽命方面,業(yè)界主流看法磷酸鐵鋰要好過(guò)三元。孫華軍拿磷酸鐵鋰和三元811電池對(duì)比,優(yōu)勢(shì)更加明顯。磷酸鐵鋰可以在5000個(gè)充放循環(huán)后,容量保持在80%以上,而三元811電池在2000次左右,就衰減到了80%。


在功率方面,孫華軍沒(méi)有對(duì)比三元,而是介紹說(shuō),刀片電池在33分鐘內(nèi)可以將從10%剩余電量充到80%。放電功率方面,比亞迪漢最大功率可以達(dá)到363kW,提供3.9秒的百公里加速能力。


根據(jù)孫華軍的描述,以上性能,其實(shí)還是刀片電池1.0的水平。比亞迪還將推出升級(jí)產(chǎn)品。


在磷酸鐵鋰的弱項(xiàng)——重量能量密度上,刀片電池還能再提升嗎?


孫華軍介紹,現(xiàn)在刀片電池電池包的能量密度是140Wh/kg,后面能提升到160Wh/kg、170Wh/kg。


會(huì)不會(huì)采用刀片電池工藝生產(chǎn)三元電池呢?


孫華軍認(rèn)為,要看消費(fèi)者的需求。如果續(xù)航600公里、700公里的車推出了,同時(shí)充電基礎(chǔ)設(shè)施完備了,消費(fèi)者沒(méi)有里程焦慮,那么磷酸鐵鋰就夠用。如果消費(fèi)者還是有更高的里程需求,可能就得去用三元。


刀片電池長(zhǎng)近1米,是否符合不同車企的電芯選型要求,也是業(yè)界疑問(wèn)。孫華軍表示,“這個(gè)尺寸首先是適用于我們第一代的產(chǎn)品。一旦這個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)技術(shù)被大家所接受,我們要去擴(kuò)展很容易的?!?/p>


在刀片電池專利中,刀片電池長(zhǎng)度可以在600—2000mm之間。他強(qiáng)調(diào),比亞迪申請(qǐng)專利中提及的產(chǎn)品,都是能夠量產(chǎn)的。他還說(shuō),“實(shí)際上內(nèi)部也有1米3的方案,可以無(wú)縫替換?!?/p>


他也強(qiáng)調(diào),電芯尺寸也不會(huì)太多,“我們新的刀片電池工廠的話,可能會(huì)基于不同的尺寸的需求去投建。因?yàn)檎麄€(gè)工藝技術(shù)大家都打通的,所以相對(duì)比較容易一點(diǎn)?!?/p>


那么刀片電池這個(gè)結(jié)構(gòu)技術(shù)能否被大家接受呢?孫華軍重復(fù)了此前王傳福的話術(shù):“幾乎你能想到的所有汽車品牌,都在和我們探討基于刀片電池技術(shù)的合作方案?!?/p>


弗迪工廠的一名高層提供的更為確定的信息是,璧山工廠年底實(shí)際產(chǎn)量有望達(dá)到8Gwh,這些產(chǎn)能都已經(jīng)被預(yù)定出去了。電動(dòng)汽車觀察家,愛(ài)卡汽車


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