• 江蘇衛藍李永偉總經理報告題目——固態電池產業發展對智能制造的需求預測

    時間:2020.09.30 點擊量:792

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    2020年9月,由天目湖先進儲能技術研究院和西門子工業軟件(上海)有限公司聯合主辦,溧陽深水科技咨詢有限公司承辦,溧陽市人民政府、江蘇中關村科技產業園、中國科學院物理研究所、長三角物理研究中心、《儲能科學與技術》雜志協辦的第一屆全國先進動力電池智能制造與設計會議在江蘇·溧陽舉行!來自江蘇衛藍新能源電池有限公司的李永偉總經理就“固態電池產業發展對智能制造的需求預測”做了主題報告。


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    江蘇衛藍新能源電池有限公司李永偉總經理就
    “固態電池產業發展對智能制造的需求預測”做報告

    【報告內容】

    江蘇衛藍新能源電池有限公司總經理李永偉先生:大家下午好,剛才方志剛先生介紹了軟件信息化和智能化對電池產業、新能源汽車產業和其他工業的支撐作用。而我這個報告,將從電池研發、制造直至客戶服務這幾個方面,預測產業對智能制造會有什么樣的需求,跟大家一起來分享。我將簡單地從三個方面進行分享,第一部分是介紹各個電池技術和產業發展的前景,以及它們會面臨什么樣的問題。然后,第二部分會介紹固態電池,包括關鍵材料,電芯和模組設計制造,以及我們需要解決哪些問題。第三個方面會介紹技術和產業發展對智能制造提出的要求。

    我想咱們在座的可能有相當一部分人會經歷了近20年的一個鋰電池產業的發展。往20年前看的話,這就是一個很小的一個產業,從電池能量密度來看,鎳氫電池可能是50-70Wh/Kg。那么后來從錳酸鋰,磷酸鐵鋰到三元材料,高鎳三元材料這樣一個材料體系的變化。這個產業的發展,從幾十億到幾百億到幾千億,并且馬上會變成萬億的產業,甚至可能還會有更大的發展空間。這個產業會對我們整個先進電池的技術發展和產業發展提供很大的空間。但是隨著電池能量密度提升,安全性問題是越來越突出,尤其是在儲能、動力電池和新能源汽車這方面體現的會更突出一些。那么如何解決這個問題,固態電池為改進改善電池的安全性,以及持續提升電池的能量密度提供了一個很好的技術解決方案。那么這里面最重要的是把液態電解液部分或者全部換成固態電解質,這樣能夠進一步提高它的安全性,以及通過引入鋰金屬負極提高能量密度,以及通過其他的電池設計和體系匹配,實現長壽命的綜合性能。從短期來看,液態電池可以通過材料改性、化成、體系匹配和結構設計,持續提升電池性能。但是為了最終解決電池的安全性問題,以及實現更高的能量密度水平,固態電池可以通過更高的電壓范圍、抑制鋰金屬副反應、拓寬溫度窗口,那么可以提供一個更好的解決方案。從中長期發展來講,固態電池的發展空間非常大。

    縱觀全球,中國、韓國和日本在這個領域相對處于比較領先的研發和產業化應用的地位。同時,歐美的多家企業現在已經開始布局并建設核心技術。固態電池的技術競爭越來越激烈,尤其是隨著國際上的大型汽車公司在全力介入到這個領域,這個過程對固態電池的產業發展會起到更大的推動作用。從目前整體來看這個行業發展,固態電池的發展變化,不管是聚合物固態電池、薄膜固態電池,還是硫化物固態電池和氧化物固態電池,都還能存在各種問題,還需要進一步解決。從深化角度來講,能量密度實現350Wh/Kg以上,安全性能達到EuroCar二級水平,快充,長壽命,低成本,寬溫度范圍,相關的技術開發工作以及對應的工藝開發和產業應用這方面還有非常多的工作需要開展。


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    這是我們對固態電池和液態電池的發展路線的預測。從近期來看,達到350Wh/Kg對于液態電池還是有一定發展空間的。隨著時間的推移,比如說2022年或2023年,固液混合電池會隨著不同的材料體系不斷提升能量密度。到2025年,預計全固態電池會逐步從小型的消費類電池發展到中型和大型的電池,最終能量密度可以達到500-600Wh/Kg的水平。對于固態電池,如果量產角度來看,還有一些比較關鍵的技術問題和產業問題沒有很好解決。這里包括界面的基礎科學的關鍵問題,包括材料和電芯的構效問題,以及性能仍需要綜合優化。同時,現在還沒有一個特別完善的產業基礎來支撐這個產業更快的發展。為了實現量產,從設計,從開發驗證到規模生產,這里面的工作還非常多。

    大概在2022年左右,隨著在消費電池領域已經逐步導入和應用混合固液電池,動力和儲能領域也將逐步導入固液混合電池。這里更多體現的是安全性上的快速提升。全固態電池也會按照這樣的路徑發展,預計2023年到2024年左右消費類電池會導入全固態電池,而動力和儲能領域會隨之跟進到產業化的程度。

    要做好一個電池,實際上受到多個層面因素的影響,我想大家都有非常深刻的體會。首先,關鍵材料能不能為電池提供比較穩定的性能,材料制備后能不能設計比較好的結構,把材料集成到電池里面。如何通過工業化的生產工藝來支撐。從材料發展來講,經過這20多年,人們對材料已經有比較深刻的認知。對于關鍵材料的性能,比如固態電解質,包括離子電導率,電子電導率,離子遷移數,寬電化學窗口,熱穩定性和化學穩定性,以及抑制鋰枝晶生長所必需的良好的機械性能。


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    從制程來講,要控制比較低的雜質含量,高度的一致性,一致性要通過全流程的過程質量控制,從配料和加工到最后的質量控制,整個流程要建立嚴格的過程質量標準,以達到最后的控制標準,同時形成規?;偷统杀?。經過2019和2020年的調整,整個動力電池行業已經向著大規模高集成度的方向發展。固態電池的發展會經過早期的低水平競爭,比較順利地進入規范發展的階段。各個體系的材料有對應的要求,其中既有優點也有缺點。固態電池不一定是單一的一種材料,它可能是幾種材料體系的復合,以達到性能要求。對于正負極活性材料,我們需要對材料的整體結構,和材料表面進行對應的改性,設計電池和電極的結構。

    這是我們認為可以通過原位固態化這樣一個標準方法能夠實現半固態和全國電池的制造的典型電極結構。中間是隔膜或者固態電解質層,和正負極構成電極結構。這是我們認為在當前固液混合階段里面,哪些工序會有一些新的變化。結合固液混合的特點,首先材料體系會有一些新的調整。剛才談到我對正負極的,對固態電解質的,甚至對隔膜和固態電解質膜的性能的改進,那么新材料導入之后,對分散、勻漿和極片制造的工藝就會產生新的變化。新引入的固態電解質膜,也會跟以前的隔膜和涂層隔膜有很多不同。在化成階段里,如何通過原位聚合如引入電解液,如何實現原位固態化,這個新的工藝會提出新的挑戰。

    衛藍經過兩三年的開發,我們已經實現了300Wh/Kg的電池,它能夠實現比較好的循環性能,尤其是45℃高溫循環壽命能夠超過1000圈。同時,它可以在如此高的能量密度條件下,通過針刺測試。對于硫化物體系,它也有對應的濕法和干法工藝,可以導入其他諸如烘干、壓片等工序。相比現在的工藝過程還會更復雜一些。如果采用干法工藝,那么固態電解質層的導入及其加工工藝會更加復雜。新的工藝會不斷涌現,工藝的開發和驗證還有比較多的工作去開展。

    這是今年四月份報道的三星全固態電池,質量能量密度達到400Wh/Kg,體積能量密度達到900Wh/L。這個電池從綜合指標來講,處于全球先進水平。但是這個產品涉及很多工藝問題,包括熱等靜壓技術,干法制備電極技術,壓縮轉印技術等相關技術適不適合大規模生產,如何從實驗室走出來,這里還需要很多工藝方面的考慮,裝備的開發以及如何實現穩定的,一致性較高的生產。對于聚合物電池,同樣也分為濕法和干法工藝兩種,這是大家能夠通過行業或者領域的進展能看得到的。

    固態電池提供了比較好的前景,可以采用內串聯結構。這種結構對電池從單體到模組的集成提供了更好的解決辦法。電芯結構可以采用多層制備的方法,極片更加致密,對于體積能量密度會有比較大的提升。新的疊片工藝在未來的固態電池領域,會得到更大的應用。為什么這么講呢,根據我們應用的主要電極結構,在電池的充放電過程中,卷繞或疊片各有特點。大家會更深入地分析哪種結構更適合高膨脹率的硅碳負極或者其他新負極的導入。

    從電芯的包裝形式以及結構來講,隨著固態電池技術的發展,也會有新的變化。由于固態電池可以提供更寬的工作溫度范圍,固態電池的安全設計要求會進一步簡化。對箱體以及對模組的效率呢也可以進一步提升。確實B公司和C公司在這方面做了很多很好的工作,如果固態電池按照這樣的方式去設計,我相信也會把能量密度進一步提高到更高的水平。我們做個簡單的測算,如果300Wh/Kg的電池采用CTP的形式成組,那么它的成組效率有可能達到75%。如果采用刀片電池結構,可能會達到80%以上。如果我們能夠簡化冷卻系統,那么成組效率有可能達到85%以上。但這里面還有很多的開發和驗證工作。這是在成組工藝上,因為結構的簡化和制程的簡化,那么有可能讓我們在模組成型這個工藝中得到流程簡化,進一步降低成本。


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    電池系統因為它的高集成度,對于未來的智能化管理和無線通訊,在模組方面也會得到更大范圍的應用。那么我們下面來看一下,固態電池系統和產業發展對智能制造有什么樣的需求。前面我們也看到先進電池技術的發展,已經把這個產業推進到千億級,很快會進入萬億的規模。那么固態電池的發展應該在一個更高的起點上,全面地考慮這個產業如何去構造。固態電池產業的發展應該從上游原材料,甚至在上述電池材料的原材料,如何通過信息化,數字化,智能化來管控整個體系。材料的組織制程、MES導入和智能工廠已經做起來了。在電池行業,它應該成為新建的動力工廠正在普遍應用的技術。在業務端,如果我們把電池技術和相關的物料信息,生產制造信息,質量信息,物流信息,能夠為下游的客戶形成很好的鏈接,對于下游客戶的支撐將發揮很好的作用。同樣,作為電池行業,對于上游材料的要求,如果也能建立智能制造的生態系統,那么對于這個行業發展會起到積極的推動作用。這里主要涉及原料和產品的制程,生產制造的質量數據,以及智能倉儲和物流。最終整合質量管理、物料即時供應,實現高效的連續生產,把敬意管理、全流程和降低成本跟整個生產流程結合起來。

    固態電池也好,其他新型電池也好,在有了比較好的材料體系設計和結構設計之后,要通過工藝把它做起來。那么每個工藝必須分析工藝目標,以及需要什么樣的工藝條件和什么樣的工藝裝備去支撐這個方面去發展。我們簡單舉幾個例子,比如說在固態電池領域,未來有可能應用的,比如電極干法混料技術。對于這個工藝因素的分析,就需要在研發過程和開發過程里面去落實。比如干電極技術,也可能導入進來。比如熱復合技術,需要結合電池的制程,以及過程和最終的性能要去開發和落實。

    未來能不能基于歷史數據,通過機器學習、數字仿真和優化,再加上策略控制系統把AI的相關技術跟整個生產和裝備比較好地結合起來,然后通過數字虛擬涂布機完成閉環的不斷優化,最終的目標是實現我們在生產過程里面對單工序的智能化控制和智能化管理。這樣對單工序的PPK和智能制程能力會有大的提升。我在這里舉一個例子,這是衛藍基于西門子的平臺與天目湖研究院合作打造了一個智能工廠的MES控制系統。這個系統和其他公司的系統有一些不同,除了正常的生產計劃、過程管理和質量管理以外,它對安全管理,對能源消耗,對成本,對基于工廠層面的整個信息化管理也都明確地提出來了。包括我們剛才講到的單工序的智能化研發,這個工作現在已經啟動,有一些比較好的結果。

    這是數字孿生的車間主要系統,剛才方志剛先生已經講過了,我就不做具體介紹了。那么從我們整體的研發體系以及未來的產業發展上,我們希望能夠從研發階段構建以數字化為基礎,讓實驗試制和數字化的模擬仿真比較好地結合起來。在制造環節輸出產品設計之后,能夠在制造環節通過MES和DTW與客戶的信息交互形成一個良性的互動。另外,站在整個行業的產業鏈和電池產品的全生命周期管理的角度,形成全閉環的產品信息的追溯和數字共享。在未來,隨著半固態電池和全固態電池的發展,我們相信會從目前的現有裝備占據80%左右,慢慢過渡到未來的大約80%的新技術和新工藝會導入固態電池產業。那么這個目標還需要數字化和智能化技術起到非常強的支撐作用。同時結合先進測試和失效分析技術,最終達到下一代工業4.0鋰電池產業鏈的發展方向。未來我們會面向更高能量密度、更安全、更強的續航里程,更好地面向應用場景去開發我們的工作。


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