文/闵建成·西安斯萊克智能系統有限公司
從整體來看，大陸新能源汽車發展迅速，但技術的成熟度和國外先進企業相比，還有差距。新能源汽車是指采用除汽油、柴油發動機之外，其他非正常車用燃料作為動力來源的汽車，包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車、其他新能源汽車等。按動力源的不同，國内主流電動汽車可分為：純電動汽車(BEV)、混合動力汽車(PHEV)、燃料電池汽車(FCEV)三類。
新能源汽車發展
據light Metal Age 報道，英國一些公司和機構，聯合發起一項重大的研究項目，以設計新的輕型電池外殼，用于下一代電動汽車和超低排放車輛(ULEV)。該聯合體的成員包括肯聯、lmpression Technologies、寶馬、沃爾沃、lnnoval、Technology、布魯内爾先進凝固技術中心(BCAST)Grainger & Worrall和WMG大學。此外，Lnnovate UK 向該項目提供330 萬英鎊的資金支援。
過去十年來，中國成為全球最大的新能源汽車市場。政策支援、技術創新、規模龐大等因素成為中國新能源汽車領跑全球的先發優勢。據相關報告，截至2020 年，中國擁有全球最多的電動汽車發展先進城市，中國電動汽車累計銷量已占世界總量的47%。中國的新能源汽車産業在“從0 到1”的發展中已占得先機，在全球範圍内具備了産業鍊優勢。但随着外資車企加緊布局，中國新能源汽車“走出去”的黃金視窗期被壓縮，将面臨更加嚴峻的競争。國際巨頭松下、三星SDI、LG 等加速布局，國内電池企業也紛紛擴大産能規模，行業洗牌大幕已經開啟。
近年來，國家出台了一系列政策引導推動大陸電動汽車産業的發展，提出到2025 年新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右，到2035年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領域用車全面電動化，燃料電池汽車實作商業化應用，高度自動駕駛汽車實作規模化應用，有效促進節能減排水準和社會運作效率的提升。根據規劃要求，預計大陸新能源汽車行業将迎來快速發展，同時電動汽車作為主推新能源汽車市場成長空間較大。
三大主流電動汽車比較
目前，主流電動汽車所采用的锂離子電池，按外形可以分為方形電池、柱形電池和扣式電池；按外包材料來分，有鋁殼電池、鋼殼電池、軟包電池(鋁塑膜)；按正極材料來分，有钴酸锂、磷酸鐵锂、錳酸锂、鎳钴錳、锂聚合物等。大陸已為包括插電式混合動力汽車和氫燃料電池汽車在内的新能源汽車設定了目标，到2025 年占到汽車總銷量的20%，而現在這一比例為5%。據前瞻産業研究院的資料，國内三大主流電動汽車比較分析見表1。
表1 國内三大主流電動汽車比較分析
電池殼發展
電池殼發展主要分為三個階段。第一階段為2000 年以前，第二階段為2000 ～2010 年，第三個階段為2010 年以後至今。其中第一階段的電池類型為鎳氫電池，相應的技術路線為對鎳氫電池組殼體端子的加強和對極柱的加強。随着锂離子電池逐漸成為行業的專利申請熱點，第二階段的電池類型主要是涉及“18650”型锂離子電池的殼體的研究。在這個階段，相應的技術路線為锂離子電池單體殼體加強以及锂離子電池組的端闆加強。第三階段的電池類型涉及三元锂(鎳钴錳)方形單體電池，其技術路線涉及方形單體電池端子加強。方形锂電池是各個電池企業和汽車企業研發方向。
電池改進及形狀變化優點
作為純電動汽車最核心的零部件之一，動力電池對車輛的續航裡程、整體品質、動力表現、操控性能等息息相關。在純電動汽車的制造成本方面，電池的占比也最高，普遍在30%以上，這導緻了電動汽車較高的售價以及後期維護成本。是以，降低電池的機關成本以及增加電池的能量密度，一直是電動汽車技術發展的主要方向。據比亞迪介紹，換裝了能量密度更高、放電電壓更高、低溫性能更好的三元锂(鎳钴錳)電池後，比亞迪EV 車型系列的核心競争力更是得到大幅提高。鎂鋁合金材質打造的電芯殼體，與圓柱型電池所采用的不鏽鋼殼體相比更輕，成本更低，有利于提高電芯的能量密度，而且制造成本也更低。而且方形殼體的結構可以容納更多電解液、電芯極片膨脹應力更低，電池壽命比圓柱形高2 倍以上。Pro EV500 采用了比亞迪自主研發的鎳钴錳三元锂電池，也就是在钴酸锂基礎上，經過改進，以鎳钴錳作為電池正極材料，并合理配比鎳钴錳的比例。在優化成本、保證安全的同時，使得電池具有容量高、熱穩定性能好、充放電壓寬等優良的電化學性能。并且有效提高電池能量密度，達到160.9Wh/kg。實作NEDC 續航裡程420km，60km/h 等速續航裡程500km，進而有效緩解使用者在續航裡程方面的憂慮。并且得益于電池組的高能量密度，有效降低汽車的電池裝載量，進而減輕汽車的自重。
特斯拉近日釋出了“無極耳”新型電池，這種電池的尺寸隻有46mm×80mm，是以也被稱為“4680”電池，它将特斯拉電動汽車的電池能量密度直接提高了5 倍，同時輸出功率提高6 倍，并使特斯拉汽車的續航裡程增加了16%，而電池的生産成本和投資成本分别降低56%和69%。這款電池現在已經在試點生産了。
三元锂電池：鎳钴錳三元锂電池，因其使用稀土元素，價格昂貴。日本豐田2021 年展示其固态電池，相對于锂電，其能量密度是其2 ～3 倍。
2020 年3 月29 日，比亞迪宣布，磷酸鐵锂“刀片電池”。其抗熱失控和熱擴散性都優于三元锂電池，安全性極好。因其外形為薄片方形而稱為：“刀片電池”。特斯拉也首選磷酸鐵锂電池。
目前，市場上超過半數的電池采用圓柱形電池殼體(如特斯拉的電動汽車)或方形電池殼體(如豐田、三菱、本田、寶馬、大衆、奧迪、克萊斯勒、比亞迪、福特等廠商所采用的電池)。雖然圓柱形電池價格更低且商品化更成熟，但是需要複雜的電池管理系統。而方形電池則具有最佳的可擴充性，循環壽命更長，但是生産成本仍然很高。
電池殼成形工藝
單機生産線工藝
采用開式壓力機主機，配備開卷、矯平、送料、壓力機成形、收料(料框)、廢料剪切、廢料輸送、收廢料。該工藝仍有一部分企業在使用。開式壓力機電池殼生産線如圖1 所示。
圖1 開式壓力機電池殼生産線
采取閉式雙點壓力機主機，配備開卷、矯平、送料、壓力機多工位成形、收料(料框)、廢料剪切、廢料輸送、收廢料，主要生産圓形直徑大的或者方形電池殼(鋁殼)。該工藝為目前大多數電池企業所采用。閉式雙點壓力機電池殼生産線如圖2 所示。
圖2 閉式雙點壓力機電池殼生産線
采用閉式雙點大噸位壓力機主機。采取一台專用壓力機進行落料、堆垛；另一台閉式雙點大噸位壓力機主機，配備上料機、拆垛機(帶料片拆垛檢測)、雙橫杆夾鉗送料、多工位成形、收料(料框)、廢料剪切、廢料輸送、收廢料；該工藝主要是生産大直徑的電池殼(鋼殼)企業使用。閉式雙點大噸位壓力機方殼生産線如圖3 所示。
圖3 閉式雙點大噸位壓力機方殼生産線
沖杯+拉深工藝(該工藝主要用于鋁殼)
該工藝采用一台閉式雙點雙動高速精密壓力機進行沖杯，配備開卷、送料機、壓力機沖杯、杯料輸送、廢料剪切、到杯料引伸機、杯口剪切、收廢料(料框)。需收口時含收口工序。電池殼輸送、檢測、清理、輸送、打包、捆綁、輸送、入庫。該工藝目前國外發達國家采用較多，國内企業使用較少。蘇州斯萊克下傳動沖杯生産線如圖4 所示。
圖4 蘇州斯萊克下傳動沖杯生産線
杯料沖擊擠壓成形工藝(德國舒勒提供)
電池殼體原材料采用鋁材料塊，通過沖擊擠壓制成，并經過成形、處理、切邊、清洗等工藝進行加工。當沖頭擠壓料塊時，材料會向相反方向流動。之後，從兩側掃描預成形件，以檢測裂縫或變形。超出規格的産品将會被移除，以防在接下來的工藝中導緻停機。在下一個步驟中，預成形杯将會通過四個通道進入到一台300 噸後處理壓力機的一模四件模具中。除了變薄拉深外，還可以內建精沖或整形校準等功能。然後，将殼體倒置在切邊機中。剪切頭從内到外以擺動的方式工作，避免内部出現毛刺。在進行清洗、幹燥與通過視像檢測後，就可以進行使用了。該生産線比目前的解決方案生産速度快5 倍，同時還更節省材料。德國舒勒公司提供生産線如圖5 所示。這種高速沖擠壓工藝目前已在一家大型電池制造商的工廠中投入使用，每年能夠生産超過3000 萬個電池殼體。舒勒同時也提供用于制造電池蓋的沖裁壓力機。它采用級進模，包含12 個成形工位，如沖孔、切邊、壓印與分片等。舒勒方形電池殼如圖6 所示。
圖5 舒勒方形電池殼成形生産線
圖6 舒勒方形電池殼
卧式引伸機
江蘇啟力鍛壓機床有限公司鋼電池殼采用立式和卧式引伸機，噸位600 ～12500kN。蘇州斯萊克采用易拉罐工藝生産電池殼，采用卧式引伸機，蘇州斯萊克卧式引伸機如圖7 所示。
圖7 蘇州斯萊克卧式引伸機
蘇州斯萊克電池殼設計理念借鑒了易拉罐的生産工藝，加工過程與其有異曲同工之妙。這種尖端技術使加工金屬材料的時效和材料使用率非常高，大大降低生産成本。該工藝先使用閉式雙動高速精密壓力機沖杯，再進行一台或多台拉伸機多道次拉深，先沖杯的目的是能夠節省加工材料，總體計算下來，該工藝材料使用率達到87.0%～87.5%。而傳統的加工工藝材料使用率隻有60%～65%。在加工速度方面，該工藝速度非常快，可以一個沖杯機配6 台、甚至10 台左右的拉伸機，這樣計算下來，該生産線每分鐘約生産出1200 ～3000 個的圓柱電池殼。方形電池殼每分鐘可以生産200 ～600 個。
未來電池發展研究
甯德時代探索電池前沿技術
據甯德時代官方報道，甯德時代探索的技術包括：CTC 結構創新技術，可将電芯內建到底盤，預計續航裡程可達1000km；高比能技術，電池系統能量密度215Wh/kg；CTP 技術、高鎳技術、高電壓技術、超薄基材技術；長壽命技術，壽命16 年，200 萬公裡；低锂耗陽電，鈍化陰極，仿生自修複電解液，極片微結構設計，膨脹力自适應管理，壽命補償；超快充技術，15 分鐘充電80%SOC；超電子網，快離子環，各向同性石墨，超導電解液，高空隙隔膜，多梯度極片，多極耳，陽極電位監控；真安全技術，四維安全防護，打造航天級安全電池；耐溫陰極，安全塗層，高安全電解液，航天級熱阻隔，自冷卻，大資料預警；自控溫技術，溫升2℃/min；電芯弱短路，電芯溫控，平台化，SOC 快速修複，功率補償，耐寒石墨，耐寒陰極，耐寒電解液。
智能管理技術
電池24 小時全周期全方位監控、電芯健康檢測、殘值評估、雲邊協同；電池檢測平台；換電站3 分鐘内完成更換；智能機器人充電工廠中的房間；上萬塊電池回到智能站充電；智能應急換電車；加快充電樁布置，如大衆将借助旗下合資公司開邁斯(CAMS)在中國市場鋪設500 個充電站，6000 個充電樁，覆寫全國8個城市；至2025 年将覆寫絕大多數城市，布設的充電樁高達1.7 萬個，充電功率為120 ～300kW；電池回收，大衆計劃未來實作95%锂電材料電池回收利用。目前已有一個工廠2021 年開始投入電池回收利用。
開發新型電池外殼
德國西格裡碳素公司(SGL Carbon)宣布，已與中國汽車制造商蔚來(NIO)達成合作，前者将為後者研發碳纖維增強型塑膠(CFRP)電池外殼原型，該電池外殼比傳統的鋁或鋼制電池外殼輕40%，具有高剛性，而且比鋁的熱導率低200 倍。該電池外殼特别輕、穩定且安全，整個電池盒包括電池可以在蔚來換電站三分鐘内完成更換。
消減電池成本，增加電池能量密度
大衆宣布2030年電池技術和充電技術路線規劃：将電池成本削減到50%，同時做好磷酸鐵锂、高猛、鎳钴錳和固态電池的技術布局。公司計劃的電池成本縮減分布：優化電池設計減少15%，生産環節(幹電極技術)減少10%，正負極材料減少20%，電池系統內建優化(CTP，CTC)減少5%,合計降低50%(圖8)。該公司計劃到2030 年将80%電池統一為同一型号，達到電池一緻性和子產品化組，大衆的目标是通過這種電池的普及，簡化生産，增強規模效益，節約成本，使電池成本下降50%。
圖8 大衆2030 年電池技術
增加安全性
電池除了成本和續航裡程是使用者關心的重點之外，電池安全性也已列入電動汽車重點要解決的問題。甯德時代開發的811 三元電池系統，可輕松通過電池發熱測試，時間不是5 分鐘，而是永遠不起火，這将是電動汽車高速增長的法寶。南韓造出最薄光伏電池，厚度為頭發直徑百分之一。
綜上所述，不管是三元锂電技術路線還是磷酸鐵锂技術路線，電池技術的發展影響電池殼成形技術。是以，電池殼成形技術要緊随電池發展，在材料、模具、裝置、工藝、控制技術和回收等各個方面下功夫，并健全電池殼全生命鍊。中國要想在電池殼成形技術取得領先，就必須盡快統一規格和接口尺寸，減少規格，進行集約化生産；建立智能化工廠中的房間，智能化工廠，融入數字化平台，掌握電池殼成形知識産權，在技術、品質及數量上取得全面突破；滿足各類使用者需求。
——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第2期