锂离子电池根据封装方式和形状可分为软包电池、方形电池和圆柱形电池。
从内部成型工艺来看,软包和方形电池可以卷绕或叠放,而圆柱形电池则只能卷绕。卷绕工艺的开发时间较长,工艺成熟,成本低,良品率高。然而,随着电动汽车的推广和发展,叠放工艺凭借其体积利用率高、结构稳定、内阻小、循环寿命长等优点,成为后起之秀。
卷绕和叠片是锂电池中间电芯组装过程中的核心环节。卷绕工艺将极片、隔膜、端子带等切割成磁极芯后,卷成尺寸匹配的产品。而叠片工艺则是将极片和隔膜交替叠放在一起,最终完成多层叠片极芯的生产过程。从电池形状来看,软包电池只能采用叠片技术。方形电池可以采用叠片工艺,也可以采用卷绕工艺,但目前主流是卷绕工艺。圆柱电池只能采用卷绕技术。
与卷绕电池相比,叠片电池在能量密度、结构稳定性、快充适配性、安全风险和循环寿命等方面表现更佳。叠片电池能量密度更高,空间利用率更高,结构稳定性也更高,内部结构均匀,反应速率较低。在快充方面,叠片电池多极板并联,内阻低,可在短时间内完成大电流充放电,电池倍率性能高。此外,叠片电池的安全风险较低,应力分布更加一致,使界面保持平整、稳定。在循环寿命方面,叠片电池内阻低,缓解快充时电池发热,提高电池化学体系稳定性,延长使用寿命。
叠片电池相对于卷绕电池的优点在于,堆叠电池可以充分利用电池的边角空间,因此在相同体积的电芯设计下,堆叠形成的电芯能量密度更高。与卷绕电池相比,堆叠结构的能量密度可提高约5%。此外,堆叠电池不存在边角内应力不均匀的问题,电池在重复使用过程中,各层的膨胀力相似,因此堆叠电池可以保持界面平整。
然而,堆叠电池也存在一些缺点。设备效率低,堆垛机占地面积较大,需要更多的设备和更高的投资成本。此外,堆叠电池在切割过程中容易出现次品,每个电池有几十个小片,每个小片有四个切割面,容易出现次品。然而,通过改进工艺和设备,叠片电池的性能和可靠性已经得到了显著提升。
与卷绕电池相比,叠片电池在动力电池领域大放异彩。以LG、比亚迪为代表的全球前10大锂电池企业均坚持走叠片路线。尽管叠片电池存在一些挑战,但在电动汽车领域,其高能量密度、长循环寿命和快速充放电等优点使其成为未来发展的趋势。
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