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(1)鋰電池制漿工序簡介及重要性
鋰電池制漿是將活性材料、導電劑和粘結劑等粉料按配比均勻分散到溶劑中,并且在粘結劑分子鏈的作用下形成穩(wěn)定漿料的過程。從微觀上看,其過程通常包括粉料混合、潤濕、分散和穩(wěn)定化等階段。
制漿是鋰電池生產的第一道工序,鋰電漿料微觀狀態(tài)的均勻性、穩(wěn)定性、一致性對鋰電池性能的影響約占 50%,也是后續(xù)涂布、輥壓工序高質量完成的必要條件。制漿工序重要性如下:
①對電池的內阻、容量、循環(huán)壽命和倍率性能具有重要影響。鋰電池的電極需要具有良好的機械性能、良好的電子傳輸和離子傳輸能力,才能發(fā)揮最佳性能。當漿料混合分散不充分時,活性材料和導電劑顆粒發(fā)生團聚,粘結劑分布不均勻,無法實現(xiàn)穩(wěn)定連接,沒有良好的離子通道與電子通道,會導致電池內阻偏大,電池容量無法充分發(fā)揮,尤其在大電流下電池容量衰減嚴重,產熱嚴重,循環(huán)壽命變差。
②對電池一致性和安全性具有重要影響。在制漿過程中要保證活性材料與導電劑、粘結劑充分混合分散均勻,否則會導致同一批次電池內阻、容量、循環(huán)壽命等單體電池性能差異較大。動力和儲能應用需要大量的單體電池串并聯(lián)成組,對單體電池的一致性要求極高,只有高一致性的單體電池才能避免“短板效應”造成電池模組的容量損失和循環(huán)壽命急劇衰減,并保障電池的安全性。
此外,制漿過程需要盡可能避免金屬顆粒、雜物、粉塵等混入漿料中,如果混入雜物可能會引起電池內部微短路,嚴重時導致電池起火爆炸,這些對制漿設備的材質選擇、過程控制能力等提出了很高的要求。
③對涂布、輥壓等后續(xù)電池極片加工工序有重要影響。例如,漿料的細度和粘度決定了漿料是否適合涂布,如果細度不合格就會導致涂布過程中產生劃痕,如果粘度不合適就無法將漿料均勻地涂敷在集流體上;漿料的固含量會影響涂布的干燥效率和極片的品質;漿料的穩(wěn)定性會影響漿料能夠穩(wěn)定存放的時
間,對制漿、涂布、輥壓的生產節(jié)拍有重要影響;漿料的均勻性決定了涂布輥壓出來的極片是否均勻。在原材料不存在差異的情況下,漿料的品質是由制漿工藝和制漿設備共同決定的。
(2)鋰電池制漿設備行業(yè)的主要技術路線
目前,鋰電池制漿設備行業(yè)技術路線主要有傳統(tǒng)的雙行星攪拌技術(可搭配薄膜式高速分散機)、雙螺桿制漿技術和循環(huán)式高效制漿技術。
結合產品種類與應用場景及鋰電池行業(yè)未來發(fā)展趨勢,預計未來三類制漿工藝路線都存在一定的市場空間,但單線產能規(guī)模較大的動力電池與儲能電池領域更傾向于循環(huán)式高效制漿技術與雙螺桿制漿技術。
①雙行星攪拌技術:核心裝備是雙行星攪拌機,具有適應性強、易操作的優(yōu)點,但由于雙行星攪拌機的分散能力有限,針對于難分散的物料,如小粒徑的磷酸鐵鋰材料及比表面積較大的導電炭黑時,難以達到良好的分散效果。雙行星攪拌技術可以通過搭配更高效的分散設備例如搭配薄膜式高速分散機,從而提升漿料的分散效果和效率,但依然無法滿足鋰電池行業(yè)快速增長的產能需求。
②雙螺桿制漿技術:核心裝備是雙螺桿制漿機,雙螺桿制漿機具有低能耗、低投入、高效率和大產能的顯著優(yōu)勢。但是目前雙螺桿制漿技術在原材料適應性、品種切換便利性、金屬異物控制等方面存在明顯短板,更適用于原材料品質穩(wěn)定、制漿品種切換少的產線,且對制漿模塊的材質、耐磨性、耐腐蝕性有較高要求。
③循環(huán)式高效制漿技術:核心裝備是循環(huán)式高效制漿機。尚水智能首創(chuàng)的循環(huán)式高效制漿技術結合了連續(xù)式制漿系統(tǒng)和批次式制漿系統(tǒng)的優(yōu)勢,采用批次計量、連續(xù)投料、循環(huán)分散的方式來實現(xiàn)漿料的高效制備和整批漿料的均勻分散,解決了雙行星攪拌技術效率低、一致性差的短板,具有低能耗、低投入、高效率和大產能的優(yōu)勢,已經被國內頭部鋰電池生產廠商批量采用,在新增產能中的占比迅速提高,逐步替代雙行星攪拌技術。
與雙螺桿制漿技術相比,循環(huán)式高效制漿技術對材料和制漿品種的適應性更強,且循環(huán)式高效制漿系統(tǒng)的產線投資成本也比雙螺桿制漿系統(tǒng)低。因此,循環(huán)式高效制漿技術在市場新增產能中的占比增長更為迅速。
(3)鋰電池制漿設備行業(yè)的主要壁壘
鋰電池制漿設備行業(yè)涉及技術領域眾多,需與下游客戶在工藝技術上高度協(xié)同,且前期需大量資金投入,具有較高的行業(yè)準入壁壘,頭部企業(yè)優(yōu)勢顯著。鋰電池制漿設備行業(yè)的主要壁壘如下:
①工藝壁壘:制漿工序與材料屬性結合度高,需對全工藝鏈條擁有深刻理解
鋰電池制漿設備行業(yè)屬于技術密集型行業(yè),主要涉及流體力學、材料科學、熱力學、動力學、納米技術、表面和界面學、機械設計與自動化控制技術、仿真計算等多個學科領域。根據技術掌握情況,不同廠商間產品的成本及性能等有所差別。行業(yè)頭部企業(yè)通常會在原材料配方、工藝改進、結構設計、產線控制、仿真技術等多方面進行長期技術積累,系統(tǒng)性地理解相關工藝及技術,產品綜合性能優(yōu)異、單位成本較低,規(guī)?;洜I后競爭優(yōu)勢突出。
制漿工序直接影響電芯的電化學性能,制漿能否滿足生產條件需結合使用材料的理化性質進行分析,因此制漿設備企業(yè)的核心技術人員需對材料技術指標、材料性能有深入了解,才能完成設備的試制、調試以及最終驗收,因此行業(yè)存在較強的技術壁壘。
②客戶壁壘:先發(fā)廠商可同時獲得客戶資源及產品應用優(yōu)勢
目前,鋰電池制漿設備行業(yè)內主要技術路線可分為雙行星攪拌技術、雙螺桿制漿技術、循環(huán)式高效制漿技術三大類,新技術需要得到客戶驗證后才能大批量應用。
鋰電池漿料的品質直接影響電池性能,鋰電池制漿設備指標需與下游鋰電池生產廠商的生產工藝高度適配,在下游鋰電池生產廠商進行批量采購前,通常要進行生產線驗證、制漿測試、電芯測試等多輪測試驗證。
頭部鋰電池生產廠商試錯成本較高,新技術導入期較長,在系統(tǒng)定型后不會輕易更換。新進入制漿設備領域的企業(yè),需要時間培育產品技術優(yōu)勢并趕超先發(fā)的企業(yè),疊加客戶為了產品穩(wěn)定性不會輕易更換設備供應商,新進入者面臨著較大的客戶壁壘。
特別是在近年來,部分頭部電池企業(yè)為追求更進一步的產品提升,由被動選擇轉變?yōu)橹鲃訁⑴c,上游鋰電池制漿設備廠商與下游鋰電廠商技術協(xié)同與交流更為深入,共同推進新品開發(fā)進度,鋰電池制漿設備廠商可積累大量前沿工藝及技術應用經驗,最先完成導入的廠商將擁有相應的競爭優(yōu)勢。
③資金壁壘:產能擴張周期長,資金投入量大
鋰電池制漿產線的非標屬性較強,產線構造與企業(yè)自身工藝直接掛鉤,前期設計開發(fā)、設備定制,直到后期安裝調試、產能爬坡的整體難度較高,研發(fā)資金投入較大。因此,鋰電池制漿設備行業(yè)從計劃擴產起到產能落地需要較長時間,無法迅速實施產能擴張,行業(yè)內企業(yè)往往會提前數(shù)年做好產能規(guī)劃,按照規(guī)劃逐步提升產能規(guī)模,行業(yè)資金壁壘較高。
④技術壁壘:需要長時間研發(fā)積累
鋰電池制漿生產涉及的環(huán)節(jié)多、設計復雜,鋰電池制漿工藝流程中影響漿料品質的因素較多,材料一致性、溫度控制、金屬磨損等都會對漿料品質產生重大影響。為滿足下游客戶的良品率、一致性等綜合性能需求,通常需要對工藝、設備進行特定優(yōu)化,整體生產工藝具有精度要求高、控制難度大的特點。
隨著鋰電池行業(yè)的快速發(fā)展,鋰電池生產廠商對于大產能、高效率、低能耗、低維護成本的鋰電池制漿設備需求更加迫切,鋰電池制漿系統(tǒng)通常需長時間生產研發(fā)積累,才能在兼顧生產效率的同時產出高質量的產品,鋰電池制漿設備行業(yè)準入難度較大,行業(yè)存在較高的技術壁壘。
(4)鋰電池制漿設備行業(yè)與上下游行業(yè)之間的關聯(lián)性
行業(yè)與上下游行業(yè)的關系如下圖所示:
非標鋰電池制漿裝備的上游行業(yè)產品主要是非標準件(鈑金鋼結構類、機加件類等)和標準件(電氣元器件、通用機械元器件類、電機及變頻控制類、傳動類等)。從整體來看,上游行業(yè)市場成熟、競爭充分,產品供應相對穩(wěn)定,本行業(yè)的原材料和零部件采購需求可以得到充分保障。但是對于部分技術含量高的電機及變頻控制類、電氣元器件類、傳動類等,主要依賴進口或采用國外品牌。進口零部件的供應持續(xù)性和鋼鋁材等大宗商品材料的價格波動會對本行業(yè)產生一定影響。
產業(yè)鏈下游為鋰電池生產廠商,行業(yè)中主要參與者通常為中大型企業(yè),擁有較大的生產、銷售規(guī)模,每年對鋰電池制漿系統(tǒng)等設備采購需求較大。下游行業(yè)市場規(guī)模擴大,新建產線或舊產線改造項目的落地有助于驅動本行業(yè)市場規(guī)模的增長;下游行業(yè)產品持續(xù)迭代升級對鋰電池制漿智能制造裝備性能要求的提高將推動本行業(yè)技術及產品創(chuàng)新能力的提升。
面對新能源汽車、儲能等眾多終端應用領域,鋰電池廠商會根據產品具體的應用場景,有針對性地進行制漿系統(tǒng)的工藝設計。經過多年的發(fā)展與磨合,本行業(yè)與下游行業(yè)已經形成共同發(fā)展、緊密合作的局面。未來隨著終端市場需求的快速增長,上下游的聯(lián)動將進一步加強。