王蘇然

【摘 要】 鋰電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，給鋰電設(shè)備行業(yè)帶來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著人口福利優(yōu)勢的日益減弱，以及鋰電生產(chǎn)對設(shè)備要求的提高，使得我國鋰電產(chǎn)業(yè)迫切要求高性能鋰電生產(chǎn)設(shè)備。由于未掌握核心技術(shù)，以及企業(yè)規(guī)模較小，使得我國鋰電生產(chǎn)的自動(dòng)化程度并不高;但進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，并且在關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備方面對我國加以限制。因此，加快鋰電池關(guān)鍵技術(shù)的研究，研發(fā)高水平的鋰電池生產(chǎn)裝備，已成為鋰電池裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵問題。

本文系統(tǒng)地研究了全球鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，對鋰電池生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀系統(tǒng)歸納。

【關(guān)鍵詞】 圓柱鋰電池 發(fā)展現(xiàn)狀

1研究背景

隨著石油等不可再生能源的日漸枯竭，清潔能源和可再生能源的研發(fā)與利用已經(jīng)引起各國廣泛重視。由于具有能量比高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)和環(huán)境污染小等優(yōu)勢，世界各國普遍認(rèn)為鋰電池將成為21 世紀(jì)的主要候選動(dòng)力能源之一，紛紛加強(qiáng)了鋰電池關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣應(yīng)用[1]。

隨著智能手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼產(chǎn)品等消費(fèi)電子產(chǎn)品快速發(fā)展，近年來我國加大了政策扶持力度，使我國鋰電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，給鋰電設(shè)備行業(yè)帶來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：一方面市場需求潛力巨大，前景向好;另一方面，市場競爭日益激烈，關(guān)鍵技術(shù)及裝備亟待突破。

目前，全球鋰電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)日本、韓國、中國三足鼎立的格局。由于我國鋰電產(chǎn)業(yè)并未掌握核心技術(shù)，以及企業(yè)規(guī)模較小，使我國鋰電產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化程度并不高。隨著我國人口福利優(yōu)勢的日益減弱，以及鋰電生產(chǎn)對設(shè)備要求的提高，使得我國鋰電產(chǎn)業(yè)迫切要求高性能鋰電生產(chǎn)設(shè)備。[2]但國外自動(dòng)化鋰電生產(chǎn)設(shè)備價(jià)格昂貴，并且在關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備方面加以限制。因此，加快鋰電池關(guān)鍵技術(shù)的研究，研發(fā)高水平的鋰離子電池生產(chǎn)裝備，已成為鋰電池裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵問題，可以很好地促進(jìn)我國鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.鋰離子電池技術(shù)概述

鋰離子電池最早在1912年提出。1992年，SONY發(fā)明了以炭材料為負(fù)極、鈷酸鋰作正極的鋰離子電池，充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。1996年，Padhi等發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性，尤其耐高溫、耐過充電性，成為當(dāng)前主流的大電流放電的動(dòng)力鋰電池的正極材料。2015年3月，Sharp與京都大學(xué)的田中功教授聯(lián)手研發(fā)了使用壽命可達(dá)70年的鋰離子電池。[3]

鋰電池有鋰金屬電池、液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池三種類型。鋰金屬電池采用金屬鋰為負(fù)極，由于金屬鋰的化學(xué)特性非?；顫?，容易爆炸，使得鋰電池并沒有得到廣泛應(yīng)用。目前市場上使用的都是液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，人們俗稱為鋰電池。液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池的工作原理及正、負(fù)極材料基本相同，區(qū)別在于：液態(tài)鋰離子電池采用非水電解質(zhì)溶液，其包裝多采用不銹鋼、鋁殼的圓柱形剛性包裝，目前大多數(shù)筆記本電腦的電池組都采用液態(tài)鋰離子電池形式;聚合物鋰離子電池可采用“干態(tài)”或“膠態(tài)”聚合物電解質(zhì)，大部分移動(dòng)設(shè)備的電源都采用聚合物鋰離子電池形式。[4]鋰離子電池的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，按照極片裝配方式的不同，通常有疊片和卷繞兩種生產(chǎn)工藝。利用疊片生產(chǎn)工藝將切成小片的正極、負(fù)極與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)，通過焊接、注液與封裝，形成一個(gè)大電芯。鋰電池的卷繞生產(chǎn)的工藝原理是先分別制作正極膜和負(fù)極膜，通過卷繞工藝將正極膜、隔離膜、負(fù)極膜卷繞成電芯，再通過后續(xù)的入殼、滾槽、注液、封口、化成、包裝等工藝，生產(chǎn)出鋰電池。

3.我國鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

自1992年SONY發(fā)明以鈷酸鋰作正極的鋰離子電池以來，隨著性能和安全性的改善，鋰電池因其良好特性，應(yīng)用領(lǐng)域日新月異。傳統(tǒng)鋰電池主要應(yīng)用于以手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼產(chǎn)品等為代表的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場。受益于消費(fèi)電子產(chǎn)品的旺盛需求，全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)近幾年一直保持高速增長的態(tài)勢。伴隨著技術(shù)進(jìn)步、成本降低，特別是綠色新能源的強(qiáng)烈需求，應(yīng)用于電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車、甚至是儲(chǔ)能需求的鋰電池市場也在快速成長。

鋰離子電池最早由日本企業(yè)推向市場，此后長達(dá)20多年的時(shí)間里，日本一直是全球最大的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)聚集地，只是優(yōu)勢在不斷縮小。20世紀(jì)末期，韓國企業(yè)開始涉足鋰電產(chǎn)業(yè)，21世紀(jì)逐步崛起，2011年，韓國企業(yè)的出貨總量超越日本企業(yè)、位居全球第一。[5]

自日本企業(yè)成功研制鋰離子電池后，我國的科研院所和高校也相繼開展鋰離子電池研究，我國政府也將鋰離子電池的研發(fā)列入“863”計(jì)劃及“九五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。20世紀(jì)末期，中國企業(yè)開始進(jìn)入鋰離子電池生產(chǎn)領(lǐng)域。在智能手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及電動(dòng)工具、電動(dòng)車、工業(yè)儲(chǔ)能等穩(wěn)步增長市場的刺激下，加之近年來國家政策的扶持，我國的科研院所及行業(yè)企業(yè)積極攻關(guān)，在鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)、生產(chǎn)工藝等方面取得突破，材料成本持續(xù)降低，我國的鋰電池產(chǎn)業(yè)已走出了萌芽期，開始步入成長期，涌現(xiàn)出一批具有國際先進(jìn)水平的鋰電池企業(yè)，如深圳比亞迪、天津力神、深圳比克、東莞新能源、惠州億緯、中航鋰電、哈爾濱光宇等。這些企業(yè)不斷開拓創(chuàng)新，開發(fā)出高性能的鋰電池，并加強(qiáng)與國外頂尖廠商的協(xié)同合作，進(jìn)一步壯大了公司實(shí)力，形成良性循環(huán)。

2013年，得益于智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)和移動(dòng)電源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，中國企業(yè)的鋰電池出貨總量超越韓國、位居全球第一。2014年，得益于電動(dòng)汽車市場，中國企業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢，總出貨量的全球占比超過了40%。目前，全球鋰電池制造行業(yè)基本集中在日本、韓國、中國，三國的鋰電產(chǎn)量已超過全球市場的90%。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國鋰電池產(chǎn)業(yè)逐步形成了具有一定先進(jìn)技術(shù)水平、科研與市場推廣協(xié)調(diào)配套的工業(yè)體系，鋰電池產(chǎn)量和出口量均位居世界第一，成為名副其實(shí)的鋰電池制造大國。但也存在企業(yè)規(guī)模不占優(yōu)勢、產(chǎn)品品質(zhì)與韓日企業(yè)巨頭有明顯差距、技術(shù)研發(fā)采取追隨策略、缺乏技術(shù)主導(dǎo)權(quán)等問題，我國成為鋰電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化強(qiáng)國的路途還比較漫長。

4我國鋰電裝備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 我國鋰電裝備行業(yè)發(fā)展概況

全球鋰電產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)日、韓、中三國鼎立的格局。目前，我國鋰電行業(yè)優(yōu)勢主要集中在市場、規(guī)模與低廉勞動(dòng)力方面，鋰電產(chǎn)業(yè)總體上尚處于較低水平，鋰電池生產(chǎn)仍以手工、半自動(dòng)生產(chǎn)為主，并未達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的局面，導(dǎo)致我國鋰電池產(chǎn)品的一致性差、性能不穩(wěn)定、壽命短，無法滿足高端產(chǎn)品的市場需求。[6]

我國的鋰電生產(chǎn)技術(shù)與裝備和日韓相比還存在較大差距，而且主要是半自動(dòng)化設(shè)備;在全自動(dòng)化設(shè)備的研制方面，由于未掌握鋰電生產(chǎn)的核心技術(shù)，研發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)質(zhì)量與一致性較差;特別是一些關(guān)鍵裝備，如極片制片與卷繞設(shè)備等，仍需從國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。從而使得我國鋰電池生產(chǎn)成本較高，限制了我國鋰電產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。

日本是最早實(shí)現(xiàn)鋰電池產(chǎn)業(yè)化的國家，眾多大型企業(yè)參與到鋰電池生產(chǎn)設(shè)備的研究中，始終占據(jù)鋰電池生產(chǎn)的世界一流水平，產(chǎn)品涵蓋液態(tài)鋰離子電池與聚合物鋰離子電池的生產(chǎn)。日本生產(chǎn)的鋰離子電池自動(dòng)生產(chǎn)線，其產(chǎn)品的良品率可達(dá)95%以上，生產(chǎn)效率、定位精度、成品率、自動(dòng)化程度都較高。日本研發(fā)的極片自動(dòng)制片與卷繞設(shè)備生產(chǎn)效率能達(dá)到20個(gè)/分鐘以上，而珠海華冠電子科技公司自主研發(fā)的全自動(dòng)卷繞機(jī)，最高效率僅能達(dá)到12個(gè)/分鐘，這還是我國在此類設(shè)備的最高水平。

韓國在20世紀(jì)末期開始涉足鋰電產(chǎn)業(yè)，主要采取大型電子公司切入的方式，如三星SDI、LG化學(xué)，利用公司在消費(fèi)和移動(dòng)電子領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，通過對日本鋰電技術(shù)與裝備的引進(jìn)、吸收與創(chuàng)新，取得突出成績，成為日本鋰電裝備行業(yè)的有力競爭者。

我國鋰電池產(chǎn)業(yè)化始于1997年，國內(nèi)鋰電池設(shè)備企業(yè)則在2000年后才逐步出現(xiàn)，許多主要的鋰電池設(shè)備制造企業(yè)都在2005年前后進(jìn)入。2008年，中國提出新能源政策及其發(fā)展規(guī)劃后，我國的鋰電池裝備行業(yè)進(jìn)入迅猛發(fā)展階段。通過激烈的市場競爭，我國涌現(xiàn)了一批具有一定技術(shù)水平和規(guī)模的鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備的制造企業(yè)，如深圳市贏合科技股份有限公司、深圳吉陽智云科技有限公司、無錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司、珠海華冠電子科技有限公司、惠州卓特電源自動(dòng)化設(shè)備有限公司、東莞市華創(chuàng)自動(dòng)化設(shè)備有限公司等。目前，國內(nèi)涉及鋰電池生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域的企業(yè)有278家，但是具有一定技術(shù)核心、規(guī)模較大的企業(yè)數(shù)量很少，年產(chǎn)值超過3億元的企業(yè)還沒有出現(xiàn)，而產(chǎn)值在1～3億元之間的企業(yè)只有13家，而其他265家鋰電池設(shè)備企業(yè)營收均不超過1億元。

4.2 國內(nèi)鋰電裝備行業(yè)發(fā)展趨勢

基于國內(nèi)外大力推進(jìn)新能源策略的背景，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、電動(dòng)車等市場驅(qū)動(dòng)下，我國的鋰電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，給我國的鋰電設(shè)備行業(yè)帶來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。鋰電池技術(shù)的發(fā)展，對鋰電池生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)性能不斷提出更高的要求，鋰電裝備行業(yè)的發(fā)展必須適應(yīng)鋰電技術(shù)和鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的變化趨勢。[7]

（1）引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，建立一批鋰電裝備骨干企業(yè)。這是縮短我國鋰電裝備技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平差距的有效途徑，以滿足高精度、高自動(dòng)化程度的單機(jī)或機(jī)組生產(chǎn)的需要，加快鋰電裝備國產(chǎn)化的速度。

（2）引入和發(fā)展高新技術(shù)，研發(fā)集成一體化的高精度全自動(dòng)化鋰電設(shè)備。鋰電池的安全性取決于生產(chǎn)工藝，高精度的全自動(dòng)鋰電池生產(chǎn)設(shè)備將在保證鋰電池生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，使生產(chǎn)出的鋰電池具有良好的一致性，保證生產(chǎn)出的鋰電池具有高可靠的安全性能。同時(shí)，鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋰電設(shè)備的性能提出更高要求，高精度的全自動(dòng)設(shè)備是未來發(fā)展方向。

（3）研發(fā)高穩(wěn)定性的專用設(shè)備。鋰電生產(chǎn)設(shè)備行業(yè)要快速發(fā)展，設(shè)備研發(fā)必須滿足鋰電池的新工藝、新技術(shù)和新發(fā)展的變化，將鋰電池制造的工藝細(xì)節(jié)、工藝參數(shù)融入到設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造中，使設(shè)備真正成為保障電池生產(chǎn)獨(dú)特工藝技術(shù)的專用設(shè)備。

（4）重點(diǎn)研發(fā)動(dòng)力鋰電池設(shè)備。隨著鋰電技術(shù)的不斷發(fā)展和技術(shù)瓶頸的突破，預(yù)計(jì)在2020 年混合動(dòng)力車（HEV）將汽車生產(chǎn)總數(shù)的50%，動(dòng)力鋰電池在未來鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中將占據(jù)很大的市場份額，將使動(dòng)力鋰電池設(shè)備進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。由于動(dòng)力鋰電池對安全性的更高要求，動(dòng)力鋰電池設(shè)備將在使用穩(wěn)定性和精度方面面臨更高的要求。

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