揭秘宁德时代超级工厂:3年利润翻近80倍,7年估值超千亿

宁德时代的电池产品,甚至可以在挤压变形的情况下,继续正常工作。

3年利润翻近80倍,7年估值超千亿,24天过会刷新最快IPO纪录,上市连续8个涨停板,并在2017年动力电池销量一举超越松下和比亚迪成为全球top1,2018年国内动力电池装机量以41.2%占比遥遥领先……

宁德时代的崛起是现象级的,这其中当然离不开其一整套精细的锂电池生产流程,本期我们带你揭秘宁德时代的超级工厂。

一、电芯诞生记

首先,让我们看一下电芯的生产产线。这是国内首条、国际一流的自动化产线,宝马X1和新5系的电芯就是在这里诞生的哦。

所有进入车间的人员都必须穿洁净服,戴帽子、口罩,完毕后,需要经过喷淋间360度无死角除尘

控温、控湿、无尘的工厂,可媲美半导体微电子的制造环境

忙碌的RGV,按照设定的轨道,自动搬运材料和为设备上下物料

孤独的机械手自动拆盘码盘

有了高科技机器人、中控系统、在线检测设备和信息追溯系统的助攻,catl的产线可实现“生产数据可视化”、“生产过程透明化”、“生产现场无人化”。

电芯是一个电池系统的最小单元。M个电芯组成一个模组,N个模组组成一个电池包,这是车用动力电池的基本结构。电池就像一个储存电能的容器,能储存多少的容量,是靠正极片和负极片的所负载活性物质多少来决定的。

1、 搅拌

搅拌就是将正、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形成均匀浆状。

2、 涂布

拌好的活性材料以每分钟80米的速度被均匀涂覆到4000米长的铜箔上下面。涂布前的铜箔薄如蝉翼,只有6微米厚。涂布至关重要,需要保证极片厚度和重量一致,否则会影响电池的一致性。涂布还必须确保没有颗粒、杂物、粉尘等混入极片。否则,导致电池自放电过快甚至安全隐患。

3、 冷压和预分切

辊压装置将涂布后的极片压实到预定的厚度和密度。

4、 极耳模切和分条

在这里,用模切机模切形成电芯的导电极耳。极耳是电池头上耳朵,通俗地说就是电池正负极的耳朵在进行充放电时的连接点。然后,通过切刀对极片进行分切。

5、 卷绕

电芯的正极片、负极片、隔离膜以卷绕的方式组合形成裸电芯。先进的CCD可实现自动检测及自动纠偏,确保电芯极片不错位。

6、 装配

卷绕好的裸电芯将被自动分选配对,之后再经过极耳焊接、折极耳、装配顶支架、热熔Mylar、入壳、壳体焊接等工序。至此,裸电芯就拥有了坚硬的外壳。

7、 烘培和注液

电池烘烤工序是为了使电池内部水分达标,确保电池在整个寿命周期内具有良好的性能。注液,就是往烘焙后的电芯内注入电解液。电解液就像电芯身体里流动的血液,能量的交换就是带电离子的交换。这些带电离子从电解液中运输过去,到达另一电极,完成充放电过程。

8、 化成

化成是对注液后的电芯进行激活的过程,通过充放电使电芯内部发生化学反应形成SEI膜,保证后续电芯在充放电循环过程中的安全、可靠和长循环寿命。

为了电芯拥有良好性能,电芯制造过程中还要经过X-ray检测、焊接质量检测,绝缘检测、容量测试等一系列“体检过程”。

制造好后的每一个电芯单体都具有一个单独的二维码,记录着制造日期,制造环境,性能参数等等。强大的追溯系统可以将任何信息记录在案。如果出现异常,可以随时调取生产信息;同时,这些大数据可以针对性地对后续改良设计做出数据支持。

二、模组变形记

单个的电芯是不能使用的,只有将众多电芯组合在一起,再加上保护电路和保护壳,才能直接使用。这就是所谓的电池模组。

电池模组是由众多电芯组成的。需要通过严格筛选,将一致性好的电芯按照精密设计组装成为模块化的电池模组,并加装单体电池监控与管理装置。CATL的模组全自动化生产产线,全程由十几个精密机械手协作完成。另外,每一个模组都有自己固定的识别码,出现问题可以实现全过程的追溯。

从简单的一颗电芯到电池包的生产过程也是相当复杂,需要多道工序,一点不比电芯的制造过程简单。

1、 上料

将电芯传送到指定位置,机械手自动抓取送入模组装配线。在宁德时代的车间内从自动搬运材料到为设备喂料100%实现了自动化。

2、 给电芯洗个澡---等离子清洗

对每个电芯表面进行清洗(CATL宁德时代采用的是等离子处理技术保证清洁度)。这里采用离子清洁,保证在过程中的污染物不附着在电芯底部。

为什么要采用等离子清洗技术?原因在于,等离子清洗技术是清洗方法中最为彻底的剥离式清洗方式,其最大优势在于清洗后无废液,最大特点是对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料等都能很好地处理,可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

3、 将电芯组装起来---电芯涂胶

电芯组装前,需要表面涂胶。涂胶的作用除了固定作用之外,还能起到绝缘的目的。

CATL宁德时代采用国际上最先进的高精度的涂胶设备以及机械手协作,可以以设定轨迹涂胶,同时实时监控涂胶质量,确保涂胶品质,进一步提升了每组不同电池模组的一致性。

4、给电芯建个家---端板与侧板的焊接

电池模组多采用铝制端板和侧板焊接而成,待设备在线监测到组件装配参数(如长度/压力等)OK后,启动焊接机器人,对端/侧板完成焊接,及焊接质量100%在线检测以确保质量,以及100%在线监测焊接质量。

5、 线束隔离板装配

焊接监测系统准确定位焊接位置后,绑定线束隔离板物料条码至MES生产调度管理系统,生成单独的编码以便追溯。打码后通过机械手将线束隔离板自动装入模组。

6、 完成电池的串并联---激光焊接

通过自动激光焊接,完成极柱与连接片的连接,实现电池串并联。

7、 下线前的重要一关---下线测试

下线前对模组全性能检查,包括模组电压/电阻、电池单体电压、耐压测试、绝缘电阻测试。标准化的模组设计原理可以定制化匹配不同车型,每个模块还能够安装在车内最佳适合空间和预定。

三、电池历险记

在重装上阵前,电池组还需经历"九九八十一难"才能修成正果。在宁德时代,这些极端,苛刻的实验包括挑战高温火烧、挤压、冲击、振动、海水浸泡、高低温冲击等,可多达230项。在宁德时代,只有成功通过层层磨炼的电池产品,才能被放行使用。

1、 火烧测试

在高温油气烟火下,铅、锌等金属材料早已熔化。但是,电池组却要在这样的高温下进行“生存”挑战。在这项极端且具有危险性的测试中,行业的国家标准是外部火烧130秒,电池不起火、不爆炸。但在CATL,一切有着最高的要求。国家标准要求外部燃烧后不起火不爆炸,CATL则挑战做到了外部火烧130秒后,电池依然可以正常工作;国家标准外部燃烧时间要求为130秒即可,CATL甚至研究了连续燃烧1小时后,电池依然没有爆炸危险。而在这样的情况下,即使是熔点为660℃的铝材,也早熔化成了液体。

通过这样严苛的火烧试验,即使遇上火灾或车辆燃烧,也不会出现电池爆炸的危险,避免出现二次伤害。

2、 振动测试

颠簸路面对电池产生的振动,可能会引发质量不过关的电池产品固定不良,零部件松动,外壳破裂最后引发安全失效的情况。为此,国家标准要求对动力电池进行振动测试。

振动台用来模拟电池包在实际使用中会遇到的颠簸路况,环境箱用来提供不同的温度环境,充放电机则用以提供充放电的实际工作情况。这三部分组成了带温度带负载的振动测试系统,真实模拟了实车使用时的情景。

这是宁德时代的一座推力20吨的振动台,用来模拟电池包在实际使用中会遇到的颠簸路况,但其振动强烈程度更甚于实际路况。在试验中,电池包一秒钟要被振动200下,而电芯模组则要被振动2000下。蜜蜂的翅膀每秒钟振动400下,我们就可以听到“嗡嗡”的声音,每秒振动2000下的电芯模组所发出的声音是非常尖锐刺耳的。

在宁德时代,这样的振动承受挑战算的不是分秒,而是小时。在这里,电池包需在-30℃至60℃的环境条件下,电池包连续随机振动21小时,这样可等效模拟数十万公里的行车疲劳情况。

3、 加速度冲击测试

与振动试验类似,冲击测试用以测试电池包的机械结构稳定,其模拟车辆通过路障时,瞬间颠簸对电池包结构的冲击。

在宁德时代的冲击测试中,最高加速度可高达100G。100G加速度如何理解?载人航天飞行器的向心加速度最高可达15G。一辆电动大巴被时速为50公里的小车撞击时,电池包所受到的加速度约为30G。一般人的心脏承受的最大加速度为50G。而目前有记录的,人体能承受的加速度极限约为40G。但在如此强烈的加速度冲击下,电池包依然运行正常。

4、 挤压测试

挤压测试用于模拟电池在交通事故时受到挤压的情况。电池受到挤压时在结构上可能由外至内被破坏,出现高压短路,电芯被内部零部件刺破漏液,造成热失控,进而引起起火或爆炸。

在宁德时代的挤压试验中,施加给电池包的力是10吨。一辆2吨的车,以90km/h的速度行驶撞击,其撞击力刚好是10吨。

从图中可以看到,在10吨外部力量的挤压下,复合铝材质的电池包外壳已出现了明显的变形,但电池包整体结构完整。对于挤压测试的通过标准一般是不起火、不爆炸。而宁德时代的电池产品,甚至可以在挤压变形的情况下,继续正常工作。

四、结束语

自此,经过数不清的复杂加工工艺和检测测试流程,一块印有CATL标志的成品车用电池单元终于诞生了。但即使如此,宁德时代对于质量的把控还远没有结束。为了把控在日常使用时的质量和品质,所有的成品电池和电芯都有自己独一无二的编码,如果未来某块电池甚至某颗电芯出现故障,可以追溯到关联生产线甚至关联原料。

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