锂电池封装工艺简介！

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一 卷绕和叠片

1卷绕和叠片的生产流程

卷绕和叠片是锂电池中段电芯装配工序的最核心环节卷绕是将分条后尺寸相匹配的极片及隔膜终止胶带等卷成极芯的一种生产工艺叠片则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从电池形态来看软包电池只能采用叠片工艺方形电池既可以使用叠片工艺也能够采用卷绕工艺目前主流为卷绕工艺圆柱电池只能采用卷绕工艺

2叠片相对于卷绕的优点

①更高的电池能量密度

卷绕在卷绕拐角部有弧度空间利用率比叠片低叠片能够充分利用电池边角空间故在相同体积的电芯设计下叠片形成的电芯能量密度更高

②更稳定的内部结构

叠片的电池不存在拐角内应力不均的问题在电池的循环往复使用中每层膨胀力相近故叠片的电池可保持界面平整而卷绕的电池在使用过程中随着锂离子的嵌入正负极片均会有膨胀受卷绕拐角处内外层内应力不一致的影响会发生波浪状变形这一变形会导致电池的界面变差电流分布不均加速电池内部结构不稳定

③更高安全性

叠片电池受力均匀不存在两端折弯问题电池安全性更高而卷绕下两端极片折弯后涂层材料发生较大弯曲变形折弯处容易发生掉粉毛刺问题严重时会造成电池内部短路引起热失控

④更长的循环寿命

叠片电池的极耳数量是卷绕的2倍而极耳数量越多电子传输距离越短电阻越小众所周知当电压和时间一定时,电阻越大,发热量越少,即Q=(U²/R)t电阻小发热量就小所以叠片电池使用寿命相对长于卷绕电池

3叠片相对于卷绕的缺点

①设备效率低叠片机占地面积也比卷绕机大

②设备投资额高

从单条产线来看一条产线需要10台卷绕机按照300-350万元/台的价格一条产线下卷绕机的成本大概3000-3500万元一条产线需要的叠片机数量与电池片数有关中航锂电的一条产线一般需要10台切叠一体机按照600万元/台的价格一条产线的成本6000万元蜂巢短刀电池的一条产线需要20台切叠一体机一条产线的成本1.2亿元

③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每个电池有几十个小片每个小片有四个切面容易产生不良品

④控制难度大

卷绕一个电池只有两个极片卷绕点焊容易每个电池只需要点焊两处容易控制而叠片而叠片极片数量较多容易虚焊所有极片都要点焊到一个焊点操作难度大

叠片与卷绕的对比

4现有厂家使用情况

①目前叠片机技术路线主要分为4类Z字型叠片机切叠一体机热复合叠片机和卷叠一体机其中Z字型叠片机和切叠一体机本质均为Z字型叠片也是国内应用较为广泛的机型但是Z型叠片存在隔膜变形和单片堆叠效率不高问题切叠一体机可能是未来发展的趋势热复合叠片机技术难度更高生产速率有效提高卷叠一体机效率较高但受LG专利保护

②目前布局软包电池技术路线的有LG新能源孚能科技等中段工艺均为叠片布局方形的动力电池厂较多其中比亚迪蜂巢能源由于采用了刀片/短刀技术路线中段工艺均采用叠片方式中创新航的两大产品均采用叠片工艺远景动力的部分方形路线也选用了叠片工艺

二 圆柱方形软包

1综述

根据封装形式的不同锂离子电池可以分为圆柱方形和软包三种形态其中方形和圆柱电池主要采用钢壳或铝壳作为外壳软包电池采用铝塑膜作为包装材料不同形态和包装材料决定了三种电池在性能上存在差异

目前方形电池由于效率高成本低为我国动力主流路线根据GGII2021年我国动力电池装机量市场中圆柱电池年度装机量约 8.69GWh占总装机量比重为6%方形动力电池装机量约120.99GWh占比为86%软包动力电池装机量约10.30GWh占比为7%

2各种电池封装的优缺点

方形电池

封装可靠度高系统能量效率高能量密度较高结构较为简单扩容相对方便可以通过提高单体容量来提高能量密度稳定性相对好但由于方形电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产所以市场上型号太多工艺很难统一且生产自动化水平不高单体差异性较大在大规模应用中存在系统寿命远低于单体寿命的问题

圆柱电池

与方形都属于硬壳封装圆柱型电池工艺成熟PACK成本较低电池产品良率以及电池组的一致性较高;由于电池组散热面积大其散热性能优于方型电池但后期依然要面对成组后散热设计难度大能量密度低等问题从电池组PACK角度来看圆柱单体电芯的特性导致其电池组较低的集成效率即使特斯拉单体电芯能量密度占优但圆柱较低的PACK集成效率依然导致其PACK能量密度的优势不明显

软包电池

采用铝塑膜包装安全性好重量较钢壳和铝壳电池轻具有较高的质量比能量内阻小循环寿命更长但是由于型号众多自动化程度低生产效率低成本高高端铝塑膜严重依赖进口一致性较差软包电池由于用相对较轻的外包装材料具有高能量密度的优势此外铝塑膜在发生安全问题时会鼓气涨开不易爆炸安全性能较好由于软包电池的高能量密度不易爆炸设计灵活等优势在消费电子领域占据了主导地位