锂电设备新技术专题研究之激光篇:激光应用量持续提升

发布时间: 2022-09-19 07:53:34 来源:KOK官方正版 作者:KOK软件下载

  激光技术具有高效精密、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化和安全程度高等特 点,被充分应用于锂电池切割、清洗、焊接、打码等工序中。根据激光制造网官方微信 公众号信息,在国家政策的大力支持及新能源汽车推广应用进程加快的带动下,中国车 用动力电池需求大幅增长。新能源汽车电池、电机、电控三大核心零部件中,核心部件 动力锂电池在整车成本中所占比例高,也直接决定整车续航里程。

  锂电池的生产制造是 由一道道工序连接而成,其生产过程主要分为极片制造、电芯制作以及电池组装三部分。 锂电池质量直接决定新能源汽车的性能,因此对其制造工序有着极高的精度要求。激光 技术作为先进的“光”制造工具,以其高效精密、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动 化和安全程度高等特点,被应用于动力锂电池部件加工的切割、清洗、焊接和打码等工 序中。(报告来源:未来智库)

  激光焊接具有熔深深、速度快、变形小等诸多优点,可大幅提升动力电池的安全性。 根据联赢激光招股说明书,激光焊接作为一种现代焊接技术,具有熔深深、速度快、变 形小、对焊接环境要求不高、功率密度大、不受磁场的影响、不局限于导电材料、不需 要真空的工作条件并且焊接过程中不产生 X 射线等优势,被广泛应用于高端精密制造领 域,尤其是新能源汽车及动力电池行业。动力电池焊接部位多、难度大、精度要求高, 动力电池厂商对电池生产设备的自动化、安全性、精密性、加工效率的要求也高。激光 焊接技术独特的优势可大幅提升电池的安全性、可靠性、一致性,降低成本,延长使用 寿命,成为了动力电池厂商最优的选择。

  决定激光焊接质量的主要核心要素为激光器能量控制及焊接工艺技术。 ①激光器能量控制:根据联赢激光招股说明书,由于被焊接的材料对不同波长激光 的吸收率不同(可以从 5%到 50%不等),激光器选择不同,焊接效果完全不同。为了 对焊件输出统一、稳定的焊接激光束,就需要激光输出功率具有良好的一致性或者能够 精确控制激光输出功率,功率过低会导致焊接熔融不足而影响焊接质量,功率过高或上 下波动会导致飞溅、气孔等不良效果。因此,激光器能量的控制就成为激光焊接最为关 键的技术之一。

  ②焊接工艺技术:根据联赢激光招股说明书,激光与物质的作用过程较为复杂,激 光焊接效果与激光波长、功率密度大小、焊接时间、焊接头角度、焦点距离、焊件对激 光的吸收率及清洁程度、焊件的厚度及导热性能、保护气体类型及流量等数十种因素有 关。因此,激光焊接工艺技术也是影响焊接质量关键的因素之一,需要激光焊接工艺技 术人员不断摸索总结,长时间实验积累才能够获得良好的焊接效果。

  按照工作原理焊接可分为五种类型,根据不同的应用要求选取不同的焊接方式,以 达到最佳效果。根据联赢激光招股说明书,根据工作原理的不同,适配不同的加工场景, 激光焊接可分为热传导焊、深熔焊、复合焊接、激光钎焊和激光传导焊接五种。根据不 同的客户、不同的加工应用场景,选取合适的焊接方式,以达到最佳的焊接效果。

  在动力电池的生产中使用激光焊接的环节在电芯制造环节与电池 PACK 环节。根据 联赢激光官网信息,在动力电池的生产中,使用激光焊接的环节主要包括:①中道工艺: 极耳的焊接(包括预焊接)、极带的点焊接、电芯入壳的预焊、外壳顶盖密封焊接、注液口密封焊接等;②后道工艺:包括电池 PACK 模组时的连接片焊接,以及模组后的盖 板上的防爆阀焊接等。

  前激光焊价值量约为 1000-3000 万元/GWh。根据联赢激光招股说明书,激光焊接 设备在动力电池厂商投入中约占比 5-15%,根据高工锂电官网信息,按照动力电池单 GWh 设备投资额约为 2 亿元测算,结合上述数据,我们可测算动力电池激光焊接设备 单位 GWh 投资额为 1000-3000 万元。

  2.3增量市场:大圆柱等新技术推动激光焊接量上行;判断激光焊接渗透率上行

  4680 大圆柱对激光工艺要求更高,且相比方形电池、小圆柱电池焊接量有望上行。 ①4680 电池对激光工艺求要求更高,极耳形态不受控制是工艺难点。根据官网信息,4680 电池采用全极耳工艺,打破了传统电池一正一负两个极耳的模 式,其工艺难点在于极耳形态不受控,易发生短路,制造时两段封闭,电解液渗入阻碍 大,并且多极耳很难折叠整齐,对激光工艺要求更高。 ②4680 大圆柱电池激光焊接相比方形电池、小圆柱电池分别在焊接工序、所需焊 接设备上有所增加。根据官网信息,1)相比方形电池,大圆柱的全极耳所需的面焊,其激光焊接工序从 5 道增加至 7 道;2)从小圆柱电池看,单 GWh 相较 于 18650 和 21700 电池产线 台模切。结合上述情况,我们认为, 4680 大圆柱的激光焊接需求相比方形电池、小圆柱电池有望增长。

  其他焊接环节技术:解决异种金属焊接问题,比如电池 PACK 中汇流排焊接有望替 代为激光焊接,我们判断,随着激光焊接工艺不断上行,激光焊接渗透率有望上行。 以方形电池后道模组/PACK 中汇流排焊接存在的 Al/Cu 异质金属焊接为例: Al、Cu 对光吸收率低,且容易产生高脆性金属化合物是 Al/Cu 难点:根据孔德群 的论文《汽车电池模组件 Al/Cu 异种金属激光焊接技术新进展》,由于 Al 和 Cu 的材料 物理性能迥异,Al/Cu 异种金属激光焊接具有若干挑战性的限制。一个主要是在 1um 的 激光波长下 Al 的吸收率低,而 Cu 的吸收率更低;另一个挑战来自 Al-Cu 合金的冶金性 能,即高脆性的金属化合物可能导致裂纹的形成。可能形成 Cu 含量为 50%-80%的金属 间化合物相。

  汇流排焊接目前激光焊接仍无法解决脆性化合物问题,但激光焊接为大概率方向。 根据联赢激光官网,由于铜和铝之间采用激光焊接后易形成脆性化合物,无法满足使用 要求,通常采用超声波焊接外,铜和铜、铝和铝一般均采用激光焊接。同时,由于铜和 铝传热均很快,且对激光反射率非常高,连接片厚度相对较大,因此需要采用较高功率 的激光器才能够实现焊接。通过九种不同参数及方法的调整实验,其中 7 种有不同增益, 我们认为,随着未来激光工艺的不断进步,汇流排 Al/Cu 激光焊接存在问题有望得到解 决,激光焊接为大概率方向。

  3.1优势:较模切具精确度更高、运营成本较低等优势,助力电池生产提效降本

  激光切割技术可应用于锂电池制造过程中的极耳切割成型、极片分切以及隔膜分切 等工序,相比模切,激光切割具有精确度更高、运营成本较低等优势,有助于电池生产 提效降本。根据维科网锂电官方微信公众号信息,传统模切会不可避免地出现磨损,粉 尘掉落并产生毛刺,进而引起电池过热、短路、甚至爆炸等各类危险问题。为了避免锂 电池加工品质不佳造成的危险,使用激光进行切割更适合。与传统的机械切割相比,激 光切割拥有无物理磨损、切割形状灵活、边缘质量控制、精确性更高和运营成本较低等 优势,有利于降造成本、提高生产效率、大幅缩短新产品模切周期。(报告来源:未来智库)

  激光极耳成型是目前主流技术,工艺参数、控制系统、切割工位设计决定切割的速 度和质量。根据利元亨官网信息,传统上极耳成型主要使用机械模切工艺。机械模切工 艺有模具损耗快、换模时间长、灵活性差和生产效率低等局限性,已经越来越不能满足 锂电池制造的发展要求。由于激光切割技术的诸多优点,随着高功率、高光束质量纳秒 激光器、单模连续光纤技术的成熟,目前激光极耳切割逐渐成为极耳成型技术的主流。 激光极耳成型一般采用卷对卷连续切割,其主要工艺流程为:放卷、张力控制、纠偏控 制、激光切割、二次除尘、收卷。其中影响极耳成型质量和效率的主要因素有:放卷速 度、张力和纠偏控制精度、切割工位设计、切割控制系统及切割工艺参数。

  3.3极片切割:传统模切效率成产线提效瓶颈,MOPA技术兼具成本与性能优势

  圆盘分切和模切品质量不稳定;激光能量和切割移动速度是两个主要的工艺参数。 根据动力电池网信息,极片切割有圆盘分切和模切、激光切割三种方式,圆盘分切和模 切都存在刀具磨损问题,这容易引起工艺不稳定,导致极片裁切品质差,引起电池性能 下降;激光能量和切割移动速度是两个主要的工艺参数,对切割质量影响巨大。当激光 功率太低或者移动速度太快时,极片不能完全切开,而当功率太高或移动速度太低时, 激光对材料作用区域变大,切缝尺寸更大。

  MOPA 是一种激光调制技术,兼具高峰值功率和高光束质量的最优方式,杰普特获 宁德时代定点。根据杰普特 2022 年 3 月 22 日发布的《关于收到供应商定点通知的公告》, 收到宁德时代定点通知,为宁德提供 MOPA 脉冲光纤激光器,应用于动力电池电芯制造 的极片切割工序。根据英诺激光招股说明书,MOPA 技术是将具有高光束质量的种子信 号光和泵浦光,通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大,从而实现对种子光源的高 功率放大;激光器的 MOPA 结构是解决超快激光兼具高峰值功率和高光束质量的最优方 式。

  皮秒是长期最优选择,MOPA 是目前最具性价比选择。根据邓永丽的论文《锂离子 动力电池极片的激光切割分析》,除了脉宽外,重复频率、光束模式、激光波长也对切 割质量有影响。因此窄脉宽、高重复频率的皮秒激光器是切割铝箔和铜箔最理想的激光 器。但由于皮秒技术未完全成熟,价格还很高,难以工业推广。而脉宽相对“窄”的 MOPA 激光器价格低廉,切割的正极片也完全满足工业要求,是切割正极片性价比最高的激光 器,随着其脉宽的减少和频率的增加,其应用前景会越来越好。

  隔膜切割目前以刀具切割为主,目前已有两项激光切割技术专利。根据专利之星检 索系统信息:①专利一:根据《一种隔膜激光切割机》专利内容,隔膜的切割通常以钢 材质隔膜切刀进行切割。采用隔膜切刀切割,结构稳定性较差,切刀需要定期更换,隔 膜切口处的效果不好,容易起毛刺或卷翘,结构复杂,不便调试和维护,通过隔膜激光 切割可解决以上问题;②专利二:根据《锂电池隔膜生产用激光切割设备》专利内容, 通过激光切割组件切割由翻转辊交替切换两个隔膜卷曲组件卷绕的隔膜,实现了自动化 均匀切割隔膜的功能,避免了切割过程中的脱粉、挑丝、碎膜以及切不断的现象,便于 在批量生产线中实用。

  热影响控制仍是难点,紫外激光存在替代传统模切可能。根据存能电气官网信息, 锂离子电池隔膜 PP膜与 PE膜两者的熔点不同,PE隔膜在 130℃左右,PP隔膜在 160℃ 左右。根据英诺激光招股说明书,在薄膜非金属材料加工等领域,高能量的紫外光子直 接破坏非金属材料表面的分子键,使分子脱离物体,这种方式不会产生高热量反应,因 此通常被称为“冷加工”,紫外激光机在微加工领域具有不可替代的优势。我们判断, 在目前仍是模切为主的隔膜切割环节,由于隔膜较低的熔点导致激光切割热影响控制仍 是难点,紫外激光以“冷加工”的优势存在替代传统模切可能。

  方形叠片工艺中激光极耳、极片切割需求有望增加。根据格普瑞电池官网信息,方 形叠片法由于各个正负极片之间互相隔绝,所以每个极片都要安装一个极耳,然后分别 焊接在一起,形成最终的正负极,但卷绕法为了减少工序,只会隔几层才安装一个极耳, 总数通常只有前者的一半。基于以上情况,我们判断,叠片工艺相比卷绕工艺,极耳数 量增加一倍,叠片工艺下极耳切割需求量预计上行,同时叠片工艺需要多次裁切正负极 片(热复合技术工艺),极片切割需求也会有所增加。

  极片涂覆前激光清洗可以有效避免原湿式乙醇清洗造成的损伤;电池焊接前激光清 洗采用脉冲激光使基底受热震动膨胀令污染物克服表面吸附力脱离基底达到去污的作 用;电池组装过程中激光清洗可对绝缘板、端板进行激光清洗,清洁电芯表面脏污,粗 化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力。根据 C114 通信网官网信息: 极片涂覆前:锂电池的正负极片是在金属薄带上涂覆锂电池正负极材料而成,金属 薄带在涂覆电极材料时,需要对金属薄带进行清洗,金属薄带一般为铝薄或铜薄,原来 的湿式乙醇清洗,容易对锂电池其他部件造成损伤。激光干式清洗机能够有效解决以上 问题。

  电池焊接前:采用脉冲激光直接辐射去污,使其表面温度升高而发生热膨胀,热膨 胀使污染物或者基底振动,从而使污染物克服表面吸附力脱离基底表面从而达到去除物 体表面污渍的目的。这种方式可以有效地去除电芯极柱端面的污物、粉尘等,为电池焊 接提前做准备,以减少焊接的不良品。 电池组装过程中:为了防止锂电池发生安全事故,一般需要对锂电池电芯进行外贴 胶处理,以起到绝缘的作用,防止短路的发生以及保护线路、防止刮伤。对绝缘板、端 板进行激光清洗,清洁电芯表面脏污,粗化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力,且清 洗后不会产生有害污染物,属于环保的绿色清洗方法,这在全球高度关注环保的情况下 越发显出它的重要性。

  传统打标技术缺点明显。根据奇铭激光科技官网信息,传统的打标技术有几种,分 别是喷墨打标、钢针雕刻打标、贴纸标识等,但这些方式都有对应的工艺缺陷,例如喷 墨打标需要耗材,喷后墨水没干进行其他工序会有掉色可能等;钢针雕刻速度较慢加工 效率低等,由此应运而生的新型技术便是激光打标技术。

  安全性上均有不同程度提升。根据楚天中谷联创官网信息,为更好的把控产品品质, 追溯锂电池的全程生产信息,包括原料信息、生产过程和工艺、产品批次、生产厂家及 日期等,需要将关键信息存储在二维码内并在电池上进行标识。传统的油墨喷打码技术 存在易摩擦,长时间容易缺失信息等问题,而激光打标具有永久性强、防伪性高、精度 高、耐磨性强、安全可靠等特点,可以为产品品质追踪提供最佳的解决方案。

  先导智能是全道整线方案供应商,具备海内外客户激光设备切入的先发优势。根据 先导智能 2021 年年报信息,公司致力于成为全球领先的智能制造整体解决方案服务商, 打造世界级创新型企业。提供涵盖方壳电池、圆柱电池、软包电池、固态电池等各类电 池类型在内的锂电池智造整线解决方案。公司是国内装备企业中最早进行国际化布局的 公司之一,目前已在美国、德国、瑞典、日韩等地设立分/子公司。目前公司所产设备已 远销欧洲、美国和日韩等地,将进一步规划全球化研发中心和生产制造基地,不断加强 海外市场的开拓工作。我们认为,公司是全道整线方案供应商,具备海内外客户激光设 备切入的先发优势。

  公司在多行业拥有多种激光技术能力及锂电激光设备储备。根据先导智能 2021 年 年报信息,激光精密加工装备已应用于消费电子、显示面板、半导体、汽车、锂电、光 伏等行业,提供激光精细微加工、相关联行业的测量和自动化智能车间解决方案。包括 激光切割、激光焊接、激光打标、激光蚀刻、激光开孔等智能装备和整线服务。拥有激 光极耳成型机及激光模切分切一体机设备储备。(报告来源:未来智库)

  在技术储备上,海目星致力于提高极耳切与装配线效率,同时延伸至叠片技术,极 片切割激光研究等,随着产品性能增强与类型增多,未来有望获取更多的订单红利。根 据海通研究所 2021 年 9 月 16 日外发报告《海目星首次覆盖报告:立足激光制片与电芯 装配向切叠材一体等技术延伸,受益电池厂扩张红利》: 1)现有产品:公司致力提升极耳激光切与动力电池装配效率。根据内容:①公司动力电池集群式智能装配关键技术研发项目已进入产业化实施阶段,拟 将整线PPM 以上;同时根据高工锂电官方微信公众号的报道, 公司在方形铝壳装配线上已出货最高产能设备为 56PPM,同时具高度集成性。②公司 超高速极耳激光切进入产业化实施阶段,拟达到目标为开发出超高速激光切割技术,激 光切割速度达到 120m/min。

  2)产品拓展:公司向叠片、激光极片切割等工艺探索、拓展,有望获取更多订单红利。根据公司 2020 年年报内容:①公司极片高速激光切裁叠关键技术研究项目的目 标是将激光切割、裁切、叠片以及热复合技术进行整合,目前已进入产业化实施阶段。 同时,根据高工锂电官方微信公众号报道 2021 新能源汽车产业发展金坛长荡湖峰会(高 工锂电为主办方之一)内容,在产品及创新上海目星激光积极探索叠片制程需求(MEB 平台)、切叠一体机(MEB 平台)、4680 等新产品新技术的研发及应用。

  如海目星切 叠一体机的终极目标速度为 500-600 片/分钟,占地面积要接近现有的卷绕工艺,综合成 本优于现有工艺;②公司锂电池电芯极片 200 米高速切割技术研发项目正在开发,可使 激光制片速度达到 200m/min,制造成本降低约 30%,目前行业技术水平最高可达 120m/min。我们认为,随着公司产品系列的不断拓展,未来在锂电制造关键工艺中涉及 的设备种类有望增加,获取更多订单红利。

  海目星积累大量优质客户,极片激光切割设备成熟后有望快速切入。根据公司《2021 年年度报告》,在动力电池领域,公司作为国内重要的动力电池设备供应商,自成立以 来就定位于服务下游各应用场景的龙头企业,专注于优势产品的推广,并不断巩固产品 领先性。经过不懈努力,公司客户包括宁德时代、特斯拉、中创新航、蜂巢能源、力神、 长城汽车、瑞浦能源、亿纬锂能、欣旺达等国内、国际主流动力电池企业保持着良好的 合作关系,在动力电池设备行业积累了丰富的经验。我们认为,公司积累了大量国内外 优质客户,在极片激光切割设备成熟后有望快速切入。

  联赢激光专注动力电池焊接领域,行业龙头客户对其产品技术高度认可。根据联赢 激光《2021 年年度报告》,公司是国内领先的精密激光焊接设备及自动化解决方案供应 商,专业从事精密激光焊接机及激光焊接自动化成套设备的研发、生产、销售。公司在 对激光焊接质量要求极高的动力电池领域的市场地位尤为突出,根据高工产研锂电研究 所(GGII) 统计的 2021 年动力电池装机量前十名企业均采用过公司的产品与服务,体 现了行业龙头客户对公司产品及技术的高度认可。

  联赢激光拥有强激光焊接领域研发及技术优势。根据优势主要体现在两方面:①技术研发优势:公司副董事长、研发负责人牛增强博士长期 从事各种激光电源及控制系统的研究工作,拥有深厚的学术背景及研发经验。公司先后 与深圳大学、华南师范大学、香港理工大学、华南理工大学等、华中科技大学、哈尔滨 工业大学、中科院半导体研究所等高校及研究所合作进行技术研发。在激光器、自动化 控制、焊接工艺等领域研发成果颇丰,截至 2021 年 12 月 31 日,公司已经获得专利 208 项,其中发明专利 20 项,另外还拥有软件著作权 193 项;②解决问题能力:对于各种 焊接材料如:钢铁、不锈钢、铜、铝、锡、金、银、塑料等均有系统的工艺数据积累, 且长期的客户服务使公司对下游客户所处行业有着较为深刻的理解,可以快速专业地为 客户提供定制化的行业解决方案。

  赢合科技聚焦核心锂电中道设备,已获得国内外一线客户的认可。根据公司 2021 年年度报告,公司锂电池自动化装备广泛应用于锂电池生产的前中段主要工序。通过持 续研发和创新,公司的涂布机、辊压机、分切机、制片机、卷绕机、叠片机、组装线等 系列核心设备的技术性能行业领先,已获得国内外一线 年度,公司收获了来自宁德时代、比亚迪、蜂巢能源、亿纬锂能、欣旺达、珠海冠宇、LG 能源、 ACC、宝马等国内外一线客户的锂电设备订单。

  赢合科技拥有激光模切机等产品储备,推出一出六激光模切一体机。根据公司 2021 年年度报告,激光模切机等产品的效率和性能均达到行业领先水平,并在此基础上成功 推出了涂布辊压分条一体机、激光模切卷绕一体机、激光模切叠片一体机等产品。公司 在 2021 年推出的一出六激光模切分切一体机设备,可适应 150mm-800mm 极片宽度, 稳定运行线m/min,激光切割毛刺和极片分切毛刺均得到较大改善,远优于同 行一出二或一出四设备,设备集成化程度高,减少了工序的流转,间接提高了客户材料 的利用率。

  利元亨重视激光技术的研发,不断增加激光技术的应用场景。根据利元亨《2021 年年度报告》,公司是国内锂电池制造装备行业领先企业之一,已与新能源科技、宁德 时代、比亚迪、蜂巢能源、欣旺达等知名厂商建立了长期稳定的合作关系,并积极布局 海外业务,获得包括北美、德国和韩国等国外一线客户的锂电设备订单。且持续研发激 光控制、激光焊接、激光切割、激光清洗技术,增加激光技术应用场景,而且“锂电池 激光焊接关键技术研究及产业化应用”经广东省机械工程学会鉴定为“国际先进水平”。

  利元亨在激光切割中拥有激光模切分条一体机、激光极耳分切一体机等产品储备。 根据公司官网,公司拥有激光模切分条一体机、激光极耳分切一体机等激光产品储备, 激光极耳分切一体机已达到最大 120m/min 生产速度,切割毛刺最大 7um。激光模切分 条一体机已达到 12000mm 超宽兼容,最高±1.5mm 精度,热影响区小于 70um,纵向 毛刺小于 15um。

  在激光焊接中拥有圆柱电池焊接机,刀片电池焊接机等激光焊接设备储备。根据公 司官网信息,刀片电池焊接机使用公司自主研发的 PSO 激光焊接技术,以及三维激光 数控运动控制技术,结合可调节环形光斑模式激光器输出光斑,最大有效焊接速度可达 300mm/s。帮助锂电池企业提升产品性能和降低成本。圆柱电池焊接机可实现圆柱电池 顶盖封口焊接、电池极耳焊接、圆柱电池侧缝焊接等焊接工艺环节。(报告来源:未来智库)

  杰普特是中国首家商业化批量生产 MOPA 脉冲光纤激光器的厂商。根据公司《2021 年年度报告》,经过十余年的科研积累和业务发展,公司搭建了国际化的研发营销平台, 积累了丰富的专利技术、研发经验和客户资源,赢得了一定的市场占有率和品牌知名度, 成为中国首家商业化批量生产 MOPA 脉冲光纤激光器的厂商。

  MOPA 激光器优势明显,公司产品已适用于电芯制造极片。根据杰普特《2021 年 年度报告》,公司 MOPA 脉冲光纤激光器产品具有脉宽可调、频率范围广、响应速度快、 首脉冲可用、全温度范围内输出功率波动小、体积小、噪声低等特点。产品脉冲频率和 脉冲宽度独立可控,通过两项激光参数调整搭配,可实现恒定的高峰值功率输出。2021 年荣获国家级专精特新“小巨人”企业称号,为新能源领域研发出适用于动力电池电芯制 造的极片切割的 MOPA 脉冲激光器。根据公司 2022 年 3 月 22 日发布的《关于收到供 应商定点通知的公告》,公司被选定为宁德时代的供应商,为宁德时代提供 MOPA 脉冲 光纤激光器,应用于动力电池电芯制造的极片切割工序。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)