電池疊片工藝和卷繞工藝的區(qū)別、如何選擇技術(shù)路線

在動(dòng)力電池pack的技術(shù)路線討論中，到底選用圓柱、軟包還是方殼？爭議一致在持續(xù)。類似的技術(shù)路線爭議，也出現(xiàn)在電芯的制造可行性層面，對(duì)于鋰電池中段電芯的裝配工序，也有兩種技術(shù)在相互競爭：疊片工藝和卷繞工藝。

這兩者比的是：電芯的空間利用率、電芯的壽命、電芯制造效率和制造投資規(guī)模的大小等等。

Part 1

疊片工藝和卷繞工藝的區(qū)別

兩種工藝的不同：

●卷繞工藝

通過控制極片的速度、 張力、尺寸、偏差等要素，將相匹配的極片、隔膜和膠帶等分條后按尺寸卷成極芯。

●疊片

將極片與隔膜交替堆疊在一起，最終完成多層疊片極芯的一種生產(chǎn)工藝。

如上圖所示，從電池形態(tài)來看，軟包和刀片電池都是圍繞疊片工藝來設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的；而方形電池，既可以使用疊片工藝，也能夠采用卷繞工藝。

目前中國電池企業(yè)的主要技術(shù)方向，還是以圍繞卷繞為主；圓柱電池作為一種成熟的產(chǎn)品形態(tài)，一直采用的是卷繞工藝。但長期來看，隨著疊片技術(shù)的進(jìn)步，大量的電池企業(yè)開始從原有的卷繞工藝進(jìn)入到疊片時(shí)代。

Part 2

疊片技術(shù)的優(yōu)勢

從最終的電池成品看，用疊片工藝制成的電池產(chǎn)品，相比卷繞工藝的成品，能量密度更高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、安全性更高、壽命更長。

●能量密度更高

采用卷繞工藝的電芯，由于在卷繞拐角部有弧度，空間利用率低一些；而疊片工藝 能夠充分地利用電池空間。因此，在相同體積的電芯設(shè)計(jì)下，能量密度也相應(yīng)提高。

●結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定

電池在使用過程中，由于鋰離子的嵌入，會(huì)使得正負(fù)極片均會(huì)有膨脹。

卷繞的電芯，因?yàn)樵诰砝@拐角處內(nèi)外層的內(nèi)應(yīng)力不一致，電芯會(huì)發(fā)生波浪狀變形，進(jìn)而導(dǎo)致電池的界面變差，電流分布不均，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)變得越來越不穩(wěn)定，而且這個(gè)過程還會(huì)加速。

但疊片工藝的電池，在的循環(huán)往復(fù)使用中，雖然也會(huì)膨脹，但總體來說，每層膨脹力相近，因此可保持界面平整。

●安全性更高

極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會(huì)導(dǎo)致電芯變形，確保電芯的形變最小，也是電池安全性的保證。

在卷繞工藝過程中，兩端極片折彎，涂層材料會(huì)發(fā)生較大彎曲變形；同時(shí)，折彎處容易發(fā)生掉粉、毛刺等問題；極片和隔膜受到拉力，容易產(chǎn)生褶皺，出現(xiàn)不均勻的問題。疊片電池則由于受力均勻，形變小，電芯的安全性更高。

●更長的循環(huán)壽命

循環(huán)壽命是電池的關(guān)鍵性能之一。

疊片電池的極耳數(shù)量較多，電子傳輸距離越短，電阻越小，故疊片電池的內(nèi)阻能夠降低，電池產(chǎn)熱小。而卷繞則容易發(fā)生變形、膨脹等問題，影響電池衰減性能。

Part 3

疊片工藝的劣勢

疊片工藝也存在自己的問題：生產(chǎn)效率低、設(shè)備投資額較高、良率低等缺點(diǎn)。

●設(shè)備效率低

一般動(dòng)力電池卷繞的效率為 12PPM，方形卷繞機(jī)在極片長度 6000mm 時(shí)，效率可達(dá)到這個(gè)效率；但傳統(tǒng) Z 字疊片效率僅有 4PPM，效率相差了三倍。

另外，疊片設(shè)備占地面積比卷繞機(jī)大，這使得效率進(jìn)一步降低。

●設(shè)備投資額高

從單條產(chǎn)線來看，需要的卷繞機(jī)數(shù)量與每片電芯的長度有關(guān)，一般一條產(chǎn)線需要10臺(tái)卷繞機(jī)，需要投資繞3000萬元左右；

采用疊片工藝，一條產(chǎn)線需要的疊片機(jī)數(shù)量與電池片數(shù)有關(guān)，一條產(chǎn)線的需要投資疊片裝備為 6000 萬元，甚至更多。

●良率低

卷繞電池分切方便，合格率高，每個(gè)電芯只需要進(jìn)行正負(fù)極一次分切，難度??；而疊片分切繁瑣，每個(gè)電池有幾十個(gè)小片，容易產(chǎn)生不良品，故疊片的單個(gè)電池容易發(fā)生斷面等問題。

這里說一下很火的刀片電芯，這種形態(tài)天生更適合疊片，這是因?yàn)椋?/p>

刀片電芯長度為 960mm、高度 90 mm，采用疊片工藝生產(chǎn)刀片電池，對(duì)齊度可以控制在0.3mm 內(nèi)，疊片效率為 0.3s/pcs。比如蜂巢能源近期推出的短刀電池，產(chǎn)品全域短刀化，涵蓋從 L300-L600 的全尺寸短刀電池產(chǎn)品，疊片效率為0.125s/pcs。

Part 4

如何選擇技術(shù)路線？

圓柱、方殼、軟包的發(fā)展方向，還是不同的企業(yè)根據(jù)自身的情況進(jìn)行不同的選擇。各自有利弊。

●從目前的技術(shù)場景來看

◎圓柱：由于4680電芯的標(biāo)準(zhǔn)化，采用卷繞工藝，單個(gè)電芯的制造速度在提高，使用場景也在拓寬

◎軟包：往短刀和長刀過渡，使用疊片是具有更大優(yōu)勢的

◎方殼：保持現(xiàn)有的尺寸，可以繼續(xù)用卷繞的工藝，但發(fā)展成方殼疊片過渡尺寸，成為短刀和長刀后，會(huì)自然地采用疊片工藝

●從制造效率和成品率來看

◎潛力最大是卷繞的大圓柱電池，這是因?yàn)?圍繞成熟工藝開始導(dǎo)入的干電極的工藝，我們有很大的想象空間，更有特斯拉和寶馬在大力推動(dòng)。

◎發(fā)展最快是疊片：隨著比亞迪、億緯鋰能、蜂巢能源和中航鋰電的加入，中國的電池企業(yè)都朝著超級(jí)疊片+刀片電池方案開始設(shè)計(jì)，在海外有三星SDI、LG化學(xué)、SK甚至松下等有諸多企業(yè)在嘗試，這塊的技術(shù)發(fā)展有很大的想像空間。

◎目前發(fā)展路線更平穩(wěn)的還是卷繞：方殼卷繞已經(jīng)成為成熟工藝，我們也看到了在原有的產(chǎn)能建設(shè)方面，這條路線的走勢也是最強(qiáng)的。

小結(jié)：電池企業(yè)圍繞工藝的選擇要做取舍，但是走勢越來越清晰，隨著技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展，動(dòng)力電池TWh大規(guī)模制造時(shí)代是每個(gè)電池企業(yè)不可回避的點(diǎn)，誰能做好這點(diǎn)，就能在動(dòng)力電池成為大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的階段，找到自己的立足根本。

審核編輯：郭婷