制造宁德时代

近百米高、电芯形状的宁德时代总部大楼隔壁,有一座不起眼的五层白楼。理论上,这里最多一天可以用掉数万度电。

楼里没有什么重型设备,但放着 7000 个金属温箱 —— 小的冰柜尺寸、大的相当于半个集装箱。这些温箱各自设置了不同的温度,每个装有一到两块汽车电池。

其中最长寿的一块电池已经在箱子里待了 8 年多,每 3 小时充满电再放空。这些电够让一辆轿车正常开 150 万公里,绕赤道跑 37 圈。电动车普遍的质保是要求开 15 万公里,电池不报废。和楼里其他上万块电池一样,它的数据会传到宁德时代的服务器里,用来分析电池在使用中的化学和物理反应。

这块电池 2014 年进入温箱时,宁德时代刚成立 3 年,现在安置这块电池的厂房还是一片稻田。当时特斯拉的 Model S 刚在中国销售,需要从美国海运而来。而全球最大的电池公司还是 松下。

等这块电池完成 8 年测试,全球每生产 100 辆电动车,就有超过 37 辆装着宁德时代的电池。宁德时代也变成了一个市值万亿元人民币的制造巨头。

宁德时代的成功有白名单政策的帮助,也因为它领先的市场判断:它最早做成了续航更高的三元锂电池,也提前为电动车爆发备足了产能。

按一般规律,当对手看明白了领先者的成功路径、当竞争变得更充分,当车企也想摆脱单一大供应商,追赶与挑战将随之而来。但 2022 年结束时,宁德时代全球市占率比前一年还上升了 4.4 个百分点。原先倒戈的客户也在回头。据《晚点 Auto》了解,2021 年一度传出在新车中不再装载宁德时代电池的广汽,去年又开始使用宁德时代电池,供应比例已达约 40%。

在电池原材料暴涨的 2022 年,宁德时代控制的锂矿资源还没能大规模开采,但毛利率依然保持在行业二三名的两倍以上。

这背后,是一项非常基础,但不易观察的能力:制造能力。制造业的竞争总是工厂的竞争。

通过走进宁德时代工厂,和采访十多位宁德时代工程师和外部供应商,我们试图拆解宁德时代的制造能力及其进化机制。

大规模制造业的本质总是以尽可能低的成本,造出更好的东西,并提供足够的产能。宁德时代保持领先的奥秘非常简单,但也难以追赶。

那座装着 7000 个温箱的小楼是这种制造能力的一个缩影。这让一位全球电池厂商人士感到惊奇:我们从来没有这么多温箱,也不需要测试这么多电池。

离开测试楼,再开 10 分钟车,就到了主要为特斯拉生产电池的宁德时代 Z1 基地。今年 1 月,我们在这里看到了电池生产的后段工序。走廊玻璃后的产线非常洁净,淡灰色的空间布满各种设备,一眼望不到头。产线上的工程师全套防尘服、鞋套和头套。多数人穿白衣,这是宁德时代员工,偶尔出现的黄衣是车企人员。厂房每小时要过滤 25 次空气,洁净度与心脏搭桥手术室相当,面积则是 1000 倍。整条电池产线 个生产基地有上百条这样的生产线。

汽车组装类似拼乐高积木,一辆车最快不到 24 小时就可以从零部件变成整车下线。而电池制造是要把一堆原材料变成制成品,整个流程约 15 天,有 20 多个大工序,涉及各类化学、物理处理和各种性质不同的材料。电池公司要严密控制不同工艺和材料的衔接,操控精度从微米级延伸至米级。

汽车电池的复杂还在于,一块汽车动力电池中会包含上百个电芯。要保证电池足够安全、性能达标,需要这 100 个电芯具有极高的一致性。电池公司不仅要把电芯造得像 双胞胎,还要用配套的 BMS(电池管理系统)持续管理和监测已出厂电池的质量。相比一般只有两块电芯组成的手机电池,汽车电池像一个会呼吸的集群,需要 BMS 这个微型计算机掌控它的生命周期。

多电芯特性也增加了规模难度。宁德时代去年生产了 190 GWh 动力电池,相当于 2 亿个电芯,再小的问题,乘以 2 亿都是大问题。宁德时代要求市场上能买到的坏品比例是 10 亿分之一,即 1000 万台车中只允许出现一颗坏电芯。这比整车制造追求的百万分之一坏品率又上了几个台阶。

良率是衡量制造能力最直接的指标,它指投入相应原材料后,最终制成合格成品的比例。良率直接影响成本。

宁德时代方形电池的良率目前约 93.5%,为行业最好表现。行业制造方形电池的普遍良率在 87%-89% 之间。这意味着,生产同等数量的电池,它的直接材料成本会比竞争对手少 4% 左右。

整体良率又是各工序良率相乘的结果。电池制造有 20 多个大工序,如果每个工序的良率是 99%,整体良率只有 81.7%;当每个工序良率降至 98%,整体良率会骤降至 66.7%。

宁德时代 93.5% 的良率意味着它在工艺上几乎没有短板。它不能只把少数几个环节做到极致,而是必须做好每一件事。整体强,是因为每一点都比别人强一点。

理解涂布需要先了解电池构造,它由正、负极、铝箔、铜箔、隔膜和电解液等材料组成。其中正、负极都是浆状物,造电池时需要把正极涂在铝箔两面,把负极涂在铜箔两面,再用膈膜把它们隔开,就像在面包片的两面抹奶油,这即是 涂布。

与抹奶油不同的是,这里的 面包片 极大、极薄。在铜箔上涂负极材料时,产线 微米,不到头发丝十分之一。

涂布机下有很多滚轮,会抻着露在外面的长约百米的铜箔向前移动经过料刷,从远处看,它就像一片静止的、没有一丝波纹和杂质的黑色水面。

涂布环节典型地体现了电池制造的 既要又要:既要高良率,又要高效率和产品性能。这几者常常矛盾。

由于铜箔太薄,在运动中易被扯皱、扯坏,所以涂布机不能运转太快,但为了生产速度和效率,也不能运转太慢。行业一般能做到每分钟涂 60 米,宁德时代现在可以做到 100 米。

宁德时代涂布时用的铜箔也比业界一般使用的 6 微米铜箔更薄,只有 4.5 微米。这这会增加难度、影响良率,但能减少单位体积电池的重量并增加正负极材料占比,从而提升能量密度和续航里程。在使用了更薄的铜箔后,宁德时代依然保持了涂布的良率。

还是用做蛋糕类比,在涂布到卷绕之间,涂好奶油的 面包片 会被刮掉数条 奶油,暴露出细窄的铜箔和铝箔;接着沿铜箔、铝箔边缘,大面包片 会被裁成长 10 米、宽十多厘米的细条,细条一侧的铜箔和铝箔会被切成锯齿状,突出的部分即是 极耳。

这就得到了一条条边缘带有极耳的极片。卷绕就是把这些极片卷成极卷,期间不能有任何打皱、弯折、撕裂。

卷绕的难点还有对齐:由于极片由正、负极、隔膜等层叠而成,卷到最后一圈时,处于不同层的各种材料会略微不齐。宁德时代要求卷绕后,末端露出的正、负极边缘差距不能超过 0.2 毫米,是总长 10 米的五千分之一。

据《晚点 Auto》了解,宁德时代卷绕良率是 99.8%,行业平均水平在 97% 左右。

这之前,卷好的极卷已被拍扁、放入铝壳。

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