干式涂布技术：降低电池成本

　　编译：李忠东

　　随着人们环保意识的提升和政策的扶持，电动汽车市场正在迅速发展。然而，与燃油车相比，电动汽车的制造成本仍然较高，其中电池的成本更是占据了整个车辆成本的很大一部分。在这样的背景下，一些车企致力于研发新型干式涂布技术。如果该技术得到广泛应用，将能够降低电池的成本，提高其性能和寿命，为用户提供更加稳定和可靠的使用体验，有助于推动电动汽车市场的快速发展。

　　干式涂布工艺流程更简单

　　极片生产是电芯制造的首要环节，主要分为浆料搅拌、极片涂布、极片辊压、极片分切四个步骤。相比较之下，目前更成熟的是湿式涂布工艺，但电池制造步骤非常复杂。为了涂覆电极箔，电池生产商需要将材料与有毒的粘合剂溶剂混合在一起。在最终组装之前，涂层箔必须在大型烘箱中经过漫长的干燥过程，在此过程中蒸发的有毒溶剂会被回收、处理和循环利用，所有这些工艺都增加了成本。在传统湿法工艺中，涂布干燥及溶剂回收环节，分别占设备、人工、厂房成本和能源成本的 22.76%和53.99%。

　　而干式涂布技术电极使用不同的粘合剂进行涂层，很少使用液体，因此不需要进行干燥。这意味着工艺流程更简单，设备占地面积更小，成本更低，更快速，而且对环境的破坏也更小。对于主机厂来说，干式涂布工艺的最大诱惑之一就在于成本。特斯拉曾表示，如果干式涂布和更大电芯的所有潜在能效都得以实现，Model Y的4680电池制造成本预计会降至5000~5500美元，大约是2170电池成本的一半。更精简的工艺能够帮助该公司将资本支出减少三分之一，并将工厂的占地面积和能源消耗削减至旧工艺所需的十分之一。

　　除此之外，由于湿法工艺需要溶剂，在溶剂蒸发后，活性物质与导电剂之间会留出更多空隙，空隙会导致材料的压实密度不高。但干法工艺不存在烘干过程，因此可以做到更大的压实密度。由于单位体积下含有更多的活性物质，干式涂布的电极也具备实现更大能量密度。根据Maxwell Technologies的实验数据，干式涂布工艺制造的电极能量密度可以超过300Wh/kg，且具备实现500Wh/kg的可能性。

　　特斯拉大圆柱率先采用

　　在2020年的电池日上，特斯拉首次发布4680电池。根据当时的介绍，这款无极耳（也叫全极耳）电池，单体能量密度提高5倍，能达到300Wh/kg，充放电效率比有极耳电池提升了6倍。实际上车量产后，续航里程可提高16%，而且在组装技术和电池包的全新设计下，4680电池每kWh降低了56%的成本。可以说，新一代的无极耳电池全方位超越了有极耳电池。

　　传统电池只有两个极耳，分别连接正极与负极，而4680电池实现了全极耳（直接从正极/负极上剪出极耳），从而大大增加了电流通路，并缩短了极耳间距，进而大幅降低内阻、提升倍率型。由于极耳数量远多于常规设计，所需激光切割工序倍增。4680电池采用高镍NCM811正极材料，硅负极理论最大电池容量可达4200Wh/kg，远高于石墨的372Wh/kg。

　　4680电池是特斯拉未来在电池方面降低成本的主要攻关方向，按照马斯克的说法，这个直径46毫米、高度80毫米的电池不仅拥有目前最高的圆柱形电池能量密度，而且能够减少至少50%的成本。成本降低带来的优势不仅仅在电池本身，也体现在汽车制造环节。使用较旧的技术，特斯拉要用大约4400个电芯为Model Y供电，并且需要焊接17600个点（每个电池4个点），以组装一个可以集成到汽车中的电池组。4680电池组只需要830个电芯，每个电芯只需要有两个焊接点，可以将焊接点减少到1660个，能显著节省成本。

　　从更长远的战略目标出发，4680电池是特斯拉能否实现一系列目标的核心。马斯克曾表示，到2030 年，特斯拉每年将生产2000万辆电动汽车，这意味着需要提供更多的廉价车型。而成本更低、能量密度更大的4680电池就是必须突破的关键。以特斯拉Cybertruck电动皮卡为例，4680电池将是该车型能否早日面世的关键。马斯克曾考虑在Cybertruck车型中使用传统的2170电池和磷酸铁锂电池，但最终决定还是使用能量密度更大的4680电池。而4680电池迟迟未能大规模生产，是Cybertruck一再延迟上市的主要原因。

　　而特斯拉是最早将干式涂布技术应用于新型电池制造工艺的汽车制造商之一，其2019年花费2.18亿美元收购了加州超级电容器公司Maxwell Technologies。Maxwell的干式涂布技术（即干电极工艺）通过混入活跃的负极/正极材料颗粒原纤维化，形成负极或正极材料的自支撑膜。然后将负极和正极材料的薄膜层压到金属箔集流体上制备负极和正极，正极和负极之间用隔膜卷绕制成电池的卷芯。这一过程具体从电极粉末开始，将少量粘合剂与正极粉末混合，然后让混合的正极和粘合剂粉末通过挤压机形成薄的电极材料带，将挤出的电极材料带层压到金属箔集流体上便制造成了成品电极。这项技术同样适用于负极，用石墨粉和铜箔制作负极。

　　Maxwell干式涂布技术最关键在于，电极使用不同的粘合剂进行涂层，几乎不使用液体，因此不需要干燥。这意味着它更便宜、更快，对环境的破坏也更小。但是电动汽车电池电极涂层面临的挑战在于它们更大、更厚，这也导致很难在大规模生产的情况下保证质量。从2019年和松下之间的矛盾公开激化之后，特斯拉的自研之路也走上了快车道。2020年，其在加利福尼亚州弗里蒙特建造了一个新工厂，它位于特斯拉现有的4680电池试生产工厂附近，业界预计特斯拉将利用这个工厂扩大其4680电池的生产，并计划在2023年将其应用于特斯拉电动车。然而3年过去，4680电池尚未达到设定的能量密度目标。此前曾有媒体报道，特斯拉干式涂布技术难以在大规模生产的速度下获得稳定的涂层，废品率较高，良品率仅为20%左右。

　　尽管特斯拉已经看到4680电池所带来的巨大的商业价值，但是大规模量产面临的最大难题就是干式涂布技术的突破，这成为拦在特斯拉面前的一道沟壑。“干式涂布技术是一项‘革命性’的技术，对于降低锂电池成本来说，干电极是关键部分之一。”马斯克曾在推特上承认，“然而，为了实现优质的量产电池，需要对Maxwell的干式涂布技术进行大量的工程设计，这一点目前还没有完全实现。”

　　大众汽车积极投资追赶

　　在特斯拉干式涂层技术受阻之际，一直想要在电动车上实现突破的大众汽车开始借机追赶。在2021年大众汽车年度全球媒体沟通会上，时任大众集团首席执行官的赫伯特·迪斯就曾对媒体说过：“我们想接近、然后超越特斯拉。”大众汽车希望通过引入新型干式涂布工艺，以获得对特斯拉等竞争对手的优势，进一步提高电动汽车的销售额和市场占有率，成为电动汽车领域的领先者。2022年7月，大众汽车宣布全球电池业务将由新成立的PowerCo电池公司负责。大众汽车预计到2027年初将生产数百万块电池，从而带来独特的市场地位。

　　近日，PowerCo 电池公司首席运营官塞巴斯蒂安·沃尔夫表示，干式涂布相关工艺已经在实验室和小规模试点生产中取得了较好的效果，被证明是可行的，接下来将会进行更加深入的研究和优化。截至目前，上述项目成本约为4000万欧元，但在未来可能会大大增加。当前，大众汽车正在积极推动该项技术的研发和应用。

　　大众汽车计划在欧洲和北美的电池单元生产工厂引入该干式涂布技术，建立可持续和经济的电池工业生产，大力发展新能源汽车市场。自2020年以来，大众汽车一直在与合作伙伴一起研究干式涂布工艺，如德国高宝印刷机械公司（Koenig & Bauer），有望将PowerCo电池公司的能源消耗降低约30%，使每辆电动汽车的成本降低数百欧元，并将生产电池所需的占地面积减少15%。PowerCo电池公司首席执行官弗兰克·布鲁姆称：“干式涂布技术对于电池生产来说，就像固态电池对于其他产品一样——是一个真正的‘颠覆者’。如果成功扩大规模，将给我们带来一个独特的市场地位和明显的竞争优势。”

　　2022年，大众汽车在电动化转型方面取得了重大进展，其中电动车销量45.29万辆。在欧洲的电动车市场份额已经达到25%，是燃油车份额的2倍，成为大众汽车电动车销量最好的市场。大众汽车计划进一步加速向电动出行转型，计划在2026年前在全球推出10款新电动车型，其中包括一款售价低于2.5万欧元的纯电动ID. 2all。

　　大众汽车董事会成员兼PowerCo电池公司监事会主席、首席技术官托马斯·施马尔表示：“像干式涂布这样的技术展示了PowerCo电池公司的技术实力，我们的目标是建立可持续的电池生产。我们拥有必要的专业知识和一流的专家，能够将电池单元生产提升到一个新的水平，并为我们的客户提供显著的成本优势。”

　　大众汽车早在2018年就开始积极推进电池自研，成立了由弗兰克·布洛梅带领的电池卓越中心，拥有约300人的专家团队。PowerCo电池公司负责大众汽车的电池业务之后，已经落地了3家电池工厂。去年7月，PowerCo电池公司斥资8000万美元，在德国下萨克森州萨尔茨吉特兴建第一个电池工厂，用于研究、开发和测试干式涂布技术，生产电动汽车所用的电池。这是大众汽车一项计划的一部分，预计到2026年将投资约20亿欧元，旨在使其电动汽车供应链更加垂直整合，生产为其电动车提供动力的电池。据悉，该电池厂是大众汽车主要电池工厂的所在地，计划于2025年投产，满负荷生产时年产能达40GWh，满足约50万辆电动汽车的需求。

　　除此之外，还有两家已经落地的电池工厂，其中一家位于西班牙瓦伦西亚的40GWh工厂，今年已破土动工，预计2026年投产。不久前，大众汽车宣布斥资逾200亿加元，将在2024年在加拿大安大略省动工建设圣托马斯电池工厂，于2027年开始生产电池，产能可供应100万辆电动车。根据规划，到2030年，PowerCo电池公司将与合作伙伴一起投资超过200亿欧元建成6家电池工厂，总体产能达到240GWh，支持每年生产300万辆电动汽车。

　　编者按

　　电动汽车时代，动力电池成为“兵家必争之地”，主机厂纷纷投资属于自己的电池工厂以避免外购带来的各种掣肘，并且加大技术投资以及并购的步伐，以期在动力电池赛道上走出自己的特色，赢得市场。特斯拉和大众汽车作为汽车制造商中的巨头，纷纷在干式涂布技术大力投资，或许我们也能从中窥得一些行业发展的方向。至于未来是否能够在技术上有所突破，谁走得更快，以及是否有新秀加入这一战场，等待市场给我们答案！

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