为什么说电池叠片技术更具潜力？

今天聊聊电池里面电芯装配的技术。

在动力电池pack的技术路线讨论中，到底选用圆柱、软包还是方壳？争议一致在持续。类似的技术路线争议，也出现在电芯的制造可行性层面，对于锂电池中段电芯的装配工序，也有两种技术在相互竞争：叠片工艺和卷绕工艺。

这两者比的是：电芯的空间利用率、电芯的寿命、电芯制造效率和制造投资规模的大小等等。

Part 1、叠片工艺和卷绕工艺的区别

两种工艺的不同：

●卷绕工艺

通过控制极片的速度、 张力、尺寸、偏差等要素，将相匹配的极片、隔膜和胶带等分条后按尺寸卷成极芯。

●叠片

将极片与隔膜交替堆叠在一起，最终完成多层叠片极芯的一种生产工艺。

如上图所示，从电池形态来看，软包和刀片电池都是围绕叠片工艺来设计、生产的；而方形电池，既可以使用叠片工艺，也能够采用卷绕工艺。

目前中国电池企业的主要技术方向，还是以围绕卷绕为主；圆柱电池作为一种成熟的产品形态，一直采用的是卷绕工艺。但长期来看，随着叠片技术的进步，大量的电池企业开始从原有的卷绕工艺进入到叠片时代。

Part 2、叠片技术的优势

从最终的电池成品看，用叠片工艺制成的电池产品，相比卷绕工艺的成品，能量密度更高、内部结构更稳定、安全性更高、寿命更长。

● 能量密度更高

采用卷绕工艺的电芯，由于在卷绕拐角部有弧度，空间利用率低一些；而叠片工艺 能够充分地利用电池空间。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，会使得正负极片均会有膨胀。

卷绕的电芯，因为在卷绕拐角处内外层的内应力不一致，电芯会发生波浪状变形，进而导致电池的界面变差，电流分布不均，电池内部结构会变得越来越不稳定，而且这个过程还会加速。

但叠片工艺的电池，在的循环往复使用中，虽然也会膨胀，但总体来说，每层膨胀力相近，因此可保持界面平整。

● 安全性更高

极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形，确保电芯的形变最小，也是电池安全性的保证。

在卷绕工艺过程中，两端极片折弯，涂层材料会发生较大弯曲变形；同时，折弯处容易发生掉粉、毛刺等问题；极片和隔膜受到拉力，容易产生褶皱，出现不均匀的问题。叠片电池则由于受力均匀，形变小，电芯的安全性更高。

● 更长的循环寿命

循环寿命是电池的关键性能之一。

叠片电池的极耳数量较多，电子传输距离越短，电阻越小，故叠片电池的内阻能够降低，电池产热小。而卷绕则容易发生变形、膨胀等问题，影响电池衰减性能。

Part 3、叠片工艺的劣势

叠片工艺也存在自己的问题：生产效率低、设备投资额较高、良率低等缺点。

● 设备效率低

一般动力电池卷绕的效率为 12PPM，方形卷绕机在极片长度 6000mm 时，效率可达到这个效率；但传统 Z 字叠片效率仅有 4PPM，效率相差了三倍。

另外，叠片设备占地面积比卷绕机大，这使得效率进一步降低。

● 设备投资额高

从单条产线来看，需要的卷绕机数量与每片电芯的长度有关，一般一条产线需要10台卷绕机，需要投资绕3000万元左右；

采用叠片工艺，一条产线需要的叠片机数量与电池片数有关，一条产线的需要投资叠片装备为 6000 万元，甚至更多。

● 良率低

卷绕电池分切方便，合格率高，每个电芯只需要进行正负极一次分切，难度小；而叠片分切繁琐，每个电池有几十个小片，容易产生不良品，故叠片的单个电池容易发生断面等问题。

这里说一下很火的刀片电芯，这种形态天生更适合叠片，这是因为：

刀片电芯长度为 960mm、高度 90 mm，采用叠片工艺生产刀片电池，对齐度可以控制在0.3mm 内，叠片效率为 0.3s/pcs。比如蜂巢能源近期推出的短刀电池，产品全域短刀化，涵盖从 L300-L600 的全尺寸短刀电池产品，叠片效率为0.125s/pcs。

Part 4、如何选择技术路线？

圆柱、方壳、软包的发展方向，还是不同的企业根据自身的情况进行不同的选择。各自有利弊。

● 从目前的技术场景来看

◎ 圆柱：由于4680电芯的标准化，采用卷绕工艺，单个电芯的制造速度在提高，使用场景也在拓宽

◎ 软包：往短刀和长刀过渡，使用叠片是具有更大优势的

◎方壳：保持现有的尺寸，可以继续用卷绕的工艺，但发展成方壳叠片过渡尺寸，成为短刀和长刀后，会自然地采用叠片工艺

● 从制造效率和成品率来看

◎潜力最大是卷绕的大圆柱电池，这是因为 围绕成熟工艺开始导入的干电极的工艺，我们有很大的想象空间，更有特斯拉和宝马在大力推动。

◎发展最快是叠片：随着比亚迪、亿纬锂能、蜂巢能源和中航锂电的加入，中国的电池企业都朝着超级叠片+刀片电池方案开始设计，在海外有三星SDI、LG化学、SK甚至松下等有诸多企业在尝试，这块的技术发展有很大的想像空间。

◎目前发展路线更平稳的还是卷绕：方壳卷绕已经成为成熟工艺，我们也看到了在原有的产能建设方面，这条路线的走势也是最强的。

小结：电池企业围绕工艺的选择要做取舍，但是走势越来越清晰，随着技术创新的发展，动力电池TWh大规模制造时代是每个电池企业不可回避的点，谁能做好这点，就能在动力电池成为大规模标准化产品的阶段，找到自己的立足根本。

参考文件：

1）https://libattery.ofweek.com/2021-02/ART-36008-11000-30484268.html

2）https://caifuhao.eastmoney.com/news/20220519084250869232720