电芯堆叠技术潜力及特点分析

电芯叠片工艺和电芯卷绕工艺。

 

电芯堆叠和电芯卷绕比较的是：电芯的空间利用率、电芯的寿命、电芯的制造效率、制造投资规模的大小。

1.电芯堆叠工艺与卷绕工艺的区别

电芯堆叠工艺与卷绕工艺的区别：

●电芯缠绕工艺

通过控制极片的速度、张力、尺寸、偏差等因素，将配套的极片、电池隔膜和胶带按尺寸分条卷成极芯。

● 电芯堆叠工艺

将极片和电池隔膜交替堆叠最终完成多层堆叠极芯的生产过程。

 

从电池形式来看，软包和刀片电池都是围绕电芯堆叠工艺设计生产的，而方形电池既可以采用电芯堆叠工艺，也可以采用卷绕工艺。目前，中国电池企业的主要技术方向仍以卷绕为主。圆柱电池作为一种成熟的产品形态，一直采用卷绕工艺。但从长远来看，随着电芯叠片技术的进步，全球一大批锂电池企业开始从原来的卷绕工艺进入电芯叠片时代。

2、电芯堆叠技术优势

从最终的电池产品来看，电芯堆叠工艺制成的电池产品比卷绕工艺的成品具有更高的能量密度、更稳定的内部结构、更高的安全性和更长的寿命。

更高的能量密度

采用卷绕工艺的电芯，由于卷绕角处存在曲率，空间利用率较低，而电芯堆叠工艺则可以充分利用电池空间。因此，在相同体积的电芯设计下，能量密度也相应提高。

结构更稳定

电池在使用过程中，由于锂离子的嵌入，正极和负极都会膨胀。对于卷绕电芯，由于卷绕角处内外层内应力不一致，电芯会发生波浪形变形。

 

反过来，电池的界面会劣化，电流分布不均匀，电池内部结构会越来越不稳定，这个过程会加速。但是电芯堆叠工艺的电池在反复使用过程中会膨胀，但一般来说各层的膨胀力相近，所以界面可以保持平整。

更高的安全性

极片的胀缩、隔膜的拉伸等都会引起电芯的变形，保证电芯的变形最小，这也是电池安全的保证。在绕制过程中，两端极片发生弯曲，镀层材料会发生较大的弯曲变形。

同时，折弯处容易出现掉粉、毛刺等问题，极片和膜片受拉力，容易起皱、凹凸不平。电芯堆垛受力均匀，变形小，电芯安全性更高。

更长的循环寿命

循环寿命是电池的关键特性之一。电芯叠片电池极耳多，电子传输距离越短，电阻越小，所以叠片电池的内阻可以降低，电池发热小。但卷绕容易出现变形、膨胀等问题，影响电池的衰减性能。

3.电芯堆叠工艺的缺点

电芯堆叠工艺也存在自身的问题：生产效率低、设备投资高、成品率低。

设备效率低

一般动力电池绕线效率为12PPM，方形绕线机在极片长度为6000mm时可达到此效率；而传统Z型电池堆垛的效率仅为4PPM，效率低了三倍。此外，电池堆叠设备的占地面积比卷绕机大，进一步降低了效率。

 

设备投资高

从单条生产线来看，所需绕线机的数量与每个电芯的长度有关。一般一条生产线需要10台绕线机，投资约3000万元。采用电芯叠片工艺，一条生产线所需的叠片机数量与电芯数量有关，一条生产线的叠片设备投资在6000万元，甚至更多。

良品率低

卷绕电池易于切割，合格率高。每个电芯只需切割正负极一次，难度较小。但电芯叠片的分条裁剪比较麻烦，而且每个电芯都有几十个小块，容易出现次品，因此叠片的单体电池容易出现断面等问题。刀片电池，这种形式自然更适合堆叠。这是因为刀片电池的长度为960mm，高度为90mm。刀片电池采用电芯堆叠工艺生产，对位可控制在0.3mm以内，堆叠效率为0.3s/pcs。

4、如何选择电池技术路线？

圆柱电池、方型电池、软包电池的发展方向对于不同的企业来说还是根据自身的情况有所不同，各有优缺点。从目前的技术情况来看：

• 圆柱型：由于4680电池的标准化，卷绕技术的使用，单体电池的制造速度越来越快，应用场景也在不断扩大。
• Pouch：过渡到短刀片和长刀片，使用电池堆叠有更大的优势。
• 方壳：保持现有尺寸，可以继续沿用绕线工艺，但发展到方壳电芯堆叠过渡尺寸，变成短刀片和长刀片后，自然会采用电芯堆叠工艺。

 

从制造效率和良率来看：

• 潜力最大的是卷绕式大圆柱电池，这是因为围绕成熟技术推出的干电极技术。
• 细胞堆叠是增长最快的。中国电池企业开始设计超级堆叠+刀片电池方案。许多海外公司正在尝试。这项技术的发展有很大的想象空间。
• 目前比较稳定的发展路线是卷取。方壳绕制已成为成熟工艺。在原有产能建设方面，这条路线的动向也是最强的。

5.结论

电池企业不得不围绕工艺的选择做出取舍，但趋势正变得越来越明朗。随着技术创新的发展，动力电池TWh的规模化制造时代是每个电池企业都无法回避的节点。谁能做好这一点，谁就能在动力电池成为大规模标准化产品的阶段找到自己的立足点。