锂离子电池工厂生产线建线分析

  摘要：为更全面了解锂电池工艺设计，指导生产线规划，总结提出了锂电池行业一般的建线模式。同时以工程项目为例进行剖析和总结，提出以后类似项目布局优化方法。
        关键词：锂电池、产线建设
1 引言
         国内外技术标准还未统一，导致各种型号锂电池生产工艺不够成熟，生产线建设也没有固定模式，根据前面布局的分析，概括来说有产品建线与工艺建线两种方式。
2产品建线与工艺建线的区别
         1）产品建线
         所谓产品建线，即按照一种或几种电池产品来规划整条生产线的建设，要求单一厂房要具备生产电池产品的所有功能单元。在前期生产线设计过程中，要按照产品的具体规格尺寸、技术指标及产能要求来对厂房的工艺布局、工艺设备、建安设备等进行统一规划，最终完成电池产品的制造。
         2）工艺建线
         所谓工艺建线，即按照电池生产的标准工艺路线和工艺条件来规划生产线的建设，不再要求单一厂房要具备电池生产的所有功能，而是根据工艺要求的不同建设不同的厂房，最后采取必要的自动化物流，实现电池产品的制造。
3产品建线与工艺建线的优缺点对比
         1）产品建线优缺点分析
         产品建线最大的优势体现在以下几个方面：
         （1）生产线建设周期较短。由于在单一厂房完成电池生产全部功能单元的建设，较易缩短生产线的建设周期。
         （2）自动化实现较为容易。产品建线时各工序衔接紧密，生产节拍较易控制，加之没有长距离的物流转运，非常有利于电池自动化生产的实现。
         （3）便于生产管理。单一厂房即可实现电池生产，便于对生产过程中的各项工作进行管理。一个厂房只需要设置一个车间主任，即可实现对整个电池生产过程的有效管理，杜绝了各工序责任不明、推诿扯皮的现象，同时也利于公司生产计划的下达与执行。
         除了以上优势，产品建线在生产线的建设及管理上也存在一些较为明显的弊端。
         （1）设备使用率低。由于各工序生产设备产能不一，为满足整条生产线的产能目标，每一类设备都按照生产线最大产能进行设计。而在实际生产中经常存在多种电池型号互相切换的现象，容易造成部分设备的浪费现象。由于生产线设计时需覆盖多款型号的生产，但是只能以一种型号为基准，设备产能、数量的匹配及自动化衔接也都以该种型号为基准做最优设计。在生产其他型号产品时，设备间的产能匹配不可避免地受到影响，从而导致部分设备闲置。
         （2）生产环境控制困难，能源消耗大。锂电池生产各工序对温湿度、洁净度的控制要求各不相同。以产品建线时，对环境有不同需求的设备集中在同一厂房，造成空调管路及控制系统设计及施工时相对复杂，增加了环境控制及后期厂房改造的难度。为了满足整体的产能需求，单个厂房及需求环境控制区域的设计面积较大，相对应的其环境控制难度及成本也相应增高。
         （3）锂电池生产过程中存在的电解液、隔膜、塑料壳体等均属易燃物品，特别是电解液属低闪点（30℃）易燃液体，遇明火、高温会着火，遇空气会分解出具腐蚀性的氢氟酸。产品建线势必造成单个厂房内存在多个危险源，使厂房安全问题变得突出。
         （4）柔性化较差，尤其对于锂电池生产行业，工艺路线较为不成熟，后期一旦工艺路线发生变更，将很难在现有生产线上进行改造，存在较大的风险。
         2）工艺建线
         相比产品建线方式，工艺建线有以下几点优势：
         （1）生产设备集中布局，设备利用率高，有利于柔性化生产。
         （2）单体厂房面积较小，环境控制标准相对统一，便于暖通及动力系统设计，有利于关键工序的集中控制。
         （3）根据工艺路线的不同，可对不同厂房的不同区域设定不同的防火等级，降低建设成本。
         （4）工艺变化对厂房布局影响较小，后期可根据不同的工艺路线对各厂房的衔接顺序进行调整，有利于生产线的升级换代。
         （5）有利于人员管理，可有效防止不同人员在厂房不同工序间的流窜。
         同时，工艺建线方式也存在一些缺点：
         （1）生产线建设周期较长，需要不同功能单元的厂房全部具备生产能力后才能生产出合格电池产品。

         （2）不同厂房之间转运距离较长，加大了生产线的整体自动化实现难度。
         （3）需增加专业设备用于控制当制品在不同厂房之间转运时环境。
         工艺建线与产品建线各有优缺点，从以上的分析不难看出，决定建线模式是产品建设还是工艺建线的是规划定位和产品产能，如规划产品种类较多、产能较小，产品建线较合适。反之，规划产品种类较少、单个产品的规划产能较大，采用工艺建设较合适。
4不同产能情况下的建线模式选择
         为得出较为直观的建线参考，这里选取某几个锂电池厂房项目的参数作为依据：这些厂房单位面积产能均在30万瓦时/平方米左右。因此本文暂按30万瓦时/平方米进行分析。
         结合建筑等专业设计要求，锂电池生产厂房火灾危险性类别为丙类，考虑到厂房规模、疏散、消防等要求，厂房宽度宜小于80米（丙类多层厂房疏散距离要求60米，本文的80米为初步考虑设备、隔墙阻挡等不利因素而定），而厂房的长度一般宜小于300米，按多层厂房考虑，最多可建三层，因此按三层厂房考虑，厂房规模不宜大于72000平方米。
         单体厂房产能一般小于30万瓦时/平方米×72000平方米=21.6亿瓦时。
         综上分析，可得出初步意见如下：
         对于规模小于21.6亿瓦时的锂电池项目，建议按产品建线，也可根据实际需要按工艺建线；对于规模大于21.6亿瓦时的锂电池项目，建议按工艺建线。

锂电池制造工艺全解析

锂电池结构

锂离子电池构成主要由正极、负极、非水电解质和隔膜四部分组成。目前市场上采用较多的锂电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池，二者正极原材料差异较大，生产工艺流程比较接近但工艺参数需变化巨大。若磷酸铁锂全面更换为三元材料，旧产线的整改效果不佳。对于电池厂家而言，需要对产线上的设备大面积进行更换。

锂电池制造工艺锂电池的生产工艺比较复杂，主要生产工艺流程主要涵盖电极制作的搅拌涂布阶段（前段）、电芯合成的卷绕注液阶段（中段），以及化成封装的包装检测阶段（后段），价值量（采购金额）占比约为（35~40%）:（30~35）%:（30~35）%。差异主要来自于设备供应商不同、进口/国产比例差异等，工艺流程基本一致，价值量占比有偏差但总体符合该比例。

锂电生产前段工序对应的锂电设备主要包括真空搅拌机、涂布机、辊压机等；中段工序主要包括模切机、卷绕机、叠片机、注液机等；后段工序则包括化成机、分容检测设备、过程仓储物流自动化等。除此之外，电池组的生产还需要Pack 自动化设备。

锂电前段生产工艺锂电池前端工艺的结果是将锂电池正负极片制备完成，其第一道工序是搅拌，即将正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。配料的搅拌是锂电后续工艺的基础，高质量搅拌是后续涂布、辊压工艺高质量完成的基础。

涂布和辊压工艺之后是分切，即对涂布进行分切工艺处理。如若分切过程中产生毛刺则后续装配、注电解液等程序、甚至是电池使用过程中出现安全隐患。因此锂电生产过程中的前端设备，如搅拌机、涂布机、辊压机、分条机等是电池制造的核心机器，关乎整条生产线的质量，因此前端设备的价值量（金额）占整条锂电自动化生产线的比例最高，约35%。

锂电中段工艺流程锂电池制造过程中，中段工艺主要是完成电池的成型，主要工艺流程包括制片、极片卷绕、模切、电芯卷绕成型和叠片成型等，是当前国内设备厂商竞争比较激烈的一个领域，占锂电池生产线价值量约30%。
目前动力锂电池的电芯制造工艺主要有卷绕和叠片两种，对应的电池结构形式主要为圆柱与方形、软包三种，圆柱和方形电池主要采用卷绕工艺生产，软包电池则主要采用叠片工艺。圆柱主要以18650和26650为代表（Tesla单独开发了21700电池、正在全行业推广），方形与软包的区别在于外壳分别采用硬铝壳和铝塑膜两种，其中软包主要以叠片工艺为主，铝壳则以卷绕工艺为主。
软包结构形式主要面向中高端数码市场，单位产品的利润率较高，在同等产能条件下，相对利润高于铝壳电池。由于铝壳电池易形成规模效应，产品合格率及成本易于控制，目前二者在各自市场领域均有可观的利润，在可以预见的未来，二者都很难被彻底取代。

由于卷绕工艺可以通过转速实现电芯的高速生产，而叠片技术所能提高的速度有限，因此目前国内动力锂电池主要采用卷绕工艺为主，因此卷绕机的出货量目前大于叠片机。

卷绕和叠片生产对应的前道工序为极片的制片和模切。制片包括对分切后的极片/极耳焊接、极片除尘、贴保护胶纸、极耳包胶和收卷或定长裁断，其中收卷极片用于后续的全自动卷绕，定长裁断极片用于后续的半自动卷绕；冲切极片是将分切后的极片卷绕冲切成型，用于后续的叠片工艺。

在锂电封装焊接方面，国内主流激光技术集成应用厂家均有所涉及，能够满足需求、无需进口。

锂电后段工艺流程

锂电后段生产工艺主要为分容、化成、检测和包装入库四道工序，占生产线价值量约35%。化成和分容作为后段工艺中最主要环节，对成型的电池进行激活检测，由于电池的充放电测试周期长，因此设备的价值量最高。化成工艺的主要作用在于将注液封装后的电芯充电进行活化，分容工艺则是在电池活化后测试电池容量及其他电性能参数并进行分级。化成和分容分别由化成机和分容机通常由自动化分容化成系统完成。

锂电Pack工艺动力电池组系统是将众多单个的电芯通过串、并联的方式连接起来的电池组，综合了动力和热管理等电池硬件系统。Pack是动力电池系统生产、设计应用的关键，是连接上游电芯生产和下游整车的应用核心环节，通常设计需求由电芯厂或汽车厂提出，通常由电池厂、汽车厂或者第三方Pack厂完成。
锂电池Pack产线相对简单，核心工序包括上料、支架粘贴、电焊、检测等工艺，核心设备为激光焊接机以及各类粘贴检测设备。目前，各大锂电设备厂商在此领域的自动化集成布局较少，而国内激光设备厂商由于在激光领域的绝对优势，在Pack设备领域占有率较高。

目前Pack生产的自动化比例相对较低，是因为目前的新能源车单款车销量都不够大，上自动化生产线的成本较高。

磷酸铁锂和三元目前国内主流动力锂电池的正极材料分为磷酸铁锂和三元两大种类。其中磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料，其循环寿命通常在2000次以上，再加上由于产业成熟而带来的价格和技术门槛的下降，使得很多厂商出于各种因素考虑都会采用磷酸铁锂电池。然而磷酸铁锂电池在能量密度方面则存在明显的缺陷，目前磷酸铁锂电池龙头比亚迪磷酸铁锂单体电芯能量密度为150Wh，2017年底比亚迪预计将能量密度提升到160Wh，理论上磷酸铁锂能量密度很难超过200Gwh。
三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂的锂电池，镍钴锰的实际比例可以根据具体需要进行调整。由于三元锂电池具备更高的能量密度（目前宁德时代等动力电池一流大厂三元锂电池能量密度普遍能达到200Wh/kg-220Wh/kg，业内预计到2020年三元电池单体电芯能量密度将达到300Wh/kg的水平），乘用车市场开始转向三元锂电池，而在安全性要求更高的客车上，磷酸铁锂则更受青睐。随着全电动乘用车的发展，三元锂电池正在占据越来越重要的位置。
两种材料的能量密度和成本有差异，不同的汽车、不同的车企有不同的选择。二者在生产工艺流程上大致相同，区别主要体现在材料的使用和配比上不同、具体工艺参数差异较大，设备无法共线生产，且单纯改造切换产能的成本较高（三元材料对真空除湿等要求严格，之前的磷酸铁锂生产线基本没有除湿要求），因此多家电芯厂在产能规划中会同时布局、分别采购设备。

某小型锂离子动力电池电芯项目生产工艺及设备

一、技术方案

（一）技术来源

以磷酸铁锂为正极材料制造的锂离子动力电池，是目前国内外最先进的锂离子电池。这种材料与以住的锂离子电池正极材料LicoO₂、LiMn₂0₄和LiNiMO₂(钴酸锂和锰酸锂)相比，其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的。产品的特点：

1、高能量密度。其理论比容量为170mAh/g，产品实际比容量可超过140 mAh/g。

2、超长寿命。一般以LicoO₂、LiMn₂0₄和LiNiMO₂为正极材料的锂离子电池寿命最多为600次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上。

3、使用安全。磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸堪为最特色的锂离子电池。

4、快速充电性能。磷酸铁锂正极材料的锂电池，可以使用大倍率充电，最快可在1小时内将电池充满。

5、耐高温。磷酸铁锂电热峰值可达350℃---500℃,而钴酸锂和锰酸锂只在200℃左右。

锂离子动力电池电芯制造工艺是公司技术人员根据锂电池的工作原理，在消化、吸收国内成熟的锂电池制造技术的基础上，自主研发的生产工艺，经科技查新，属国内先进，该工艺已获得国家知识产权局专利申请受理，申请号为：200710163661.6。

（二）制备工艺

 1、将高分子聚合物、无机化合物与辅料在搅拌情况下进行充分混合均匀，经过筛，制得分散体。

2、按规定的量涂布在规定规格的模板上，辊压、分切、卷绕（叠片）、焊接等经老化性检验即得。

3、充电测试包装。

   （三）主要工艺流程

1、正极片的生产

（1）将磷酸铁锂、聚四氟乙烯乳液、去离子水按一定的比例混合，经过真空搅拌机

  搅拌5小时，再经80目的过筛进行筛滤，制得正极涂料。

（2）用涂布机把涂料涂在铝箔上（涂布机温度为110℃，速度为2米/分）。

（3）把涂过的极片分切后进行真空烘烤（120℃，6h，电加热），再进行辊杂（辊成0.14-0.16mm）。

（4）为了与其它元件相连，在极片上焊上铝带。

2、负极片的生产

（1）将石墨、羟甲基纤维素钠（CMC）、去离子水按一定的比例混合，经过真空搅拌机搅拌5小时，再经100目的过筛进行筛滤，制得负极涂料。

（2）用涂布机把涂料涂在铝箔上（涂布机温度为110℃，速度为2米/分）。

（3）把涂过的极片分切后进行真空烘烤（120℃，6h），再进行辊杂（辊成0.14-0.16mm）。

（4）为了与其它元件相连，在极片上焊上铝带。

3、电芯的生产

（1）将正负板片进行配对，加上绝缘隔膜纸后进行卷绕。

（2）把卷好的电芯放入壳体，焊上盖帽，进行激光焊封口。

（3）把焊好的电芯放入真空烘箱（电加热）中120℃烘烤8小时，然后迅速转入注液箱中进行注液（注液箱温度：23±2℃，相对湿度：2%），电解液为外购六氟磷酸锂溶液。

（4）注液后的电池，进行充电化成，充电10小时后，进行封口，然后置烘箱中进行45℃下老化72小时，再进行检测分类，包装出货。

 二、设备方案

根据生产艺需要，年产2000万颗锂离子电池电芯需要新增主要生产设备583台(套)，主要为涂布机、辊扎机、动力电池化成柜、动力电池检测柜、隔离式真空干噪箱等设备。项目主要设备选用国产先进设备，大部分为通用性设备（方型、圆柱形、聚合物和动力电池），圆柱形设备是在方型电池的基础上，加入滚槽机、封口机；动力电池设备是在方型电芯的基础上换一下检测设备；聚合物设备只是在方型电芯设备加入封口设备、注液设备和外壳修饰设备，此设备包括便携式电源设备和动力电池设备。

                表1   设备清单一览表

 四、总平面布置

本项目总平面布置是在已征用的工业用地的基础上统一规划设计。生产区与办公、经营开发分离，物流与人流分离，供电、供水线路简捷，土地利用及投资合理，建筑物平面布局美观、大方，突出与环境协调。利于树立企业形象，便于企业进一步发展。 项目总占地48551.1㎡(72.83亩)，总建筑面积47361.4㎡，总建筑占地面积17921.3㎡，分生产和生活两个区域建设。

本项目生产设备583台套，新建生产厂房及办公生活设施65380㎡，其中新建10栋钢筋混凝土生产车间、2栋仓库、1栋锅炉房和1栋高压配电间，总建筑面积56460㎡；2栋倒班公寓、1栋职工公寓、1栋食堂、1栋办公大楼和1间门卫室，建筑面积8920㎡。

工程总占地48551.1㎡(72.83亩)，其中行政及生活设施用地面积4769.6㎡(占总占地面积的9.82%),厂房及辅助配套设施占地面积15191.7㎡(占总占地面积的31.3%),管线占地面积4855.1㎡(占总占地面积的10%),绿地面积7185.6㎡(占总占地面积的14.8%，场地及道路占地面积16549.4㎡（占总占地面积的34.08%）。总建筑面积47361.4㎡，其中行政及生活设施建筑面积21058㎡，厂房及辅助配套设施建筑面积26303.4㎡。其中容积率为0.97,绿化率14.8%,建筑系数0.41。

来源：新能源技术与企管\程冰蕾

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