本
文
摘
要
关于动力电池的技术路线如何选择，围绕圆柱、软包和方壳的讨论一直在持续；与此类似的是，在制造层面，锂电池中段电芯装配工序中，叠片技术和卷绕技术也处于长期竞争。
这两种方案是围绕电芯的空间利用率、电芯寿命、电芯制造效率和制造投资这几个关键技术点的不断博弈。
● 卷绕工艺
通过控制极片的速度、 张力、尺寸、偏差等因素，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。
● 叠片工艺
是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。
如下图所示，就电池形态来看：软包和刀片电池是围绕叠片工艺来设计和生产的；方形电池既可以使用叠片工艺也能够采用卷绕工艺，而目前中国的主要技术方向还是围绕卷绕为主；圆柱电池作为一种成熟的产品形态，一直采用卷绕工艺。
▲图1.卷绕和堆叠的方案
从中国的技术长期发展方向来看，随着叠片技术的进步，大量电池企业开始从原有的卷绕工艺逐渐进入叠片时代。这里我们可以看一看蜂巢能源最近发布的一些信息。
Part 1
蜂巢的叠片技术演进
我们首先来看看，叠片技术带来的好处。
从最终电池产品来看，叠片形成的电池产品，能量密度更高、内部结构更稳定、安全性更高和寿命更长。
▲图2.叠片的优势
● 能量密度更高
从电芯内部来看，卷绕工艺的卷绕拐角部有弧度，空间利用率低一些，叠片工艺能够充分利用电池空间，在相同体积的电芯设计下形成的电芯能量密度更高。
● 结构更稳定
电池使用过程中，锂离子的嵌入会使得正负极片均会有膨胀，卷绕拐角处内外层内应力不一致，卷绕的电池会发生波浪状变形，进而致电池的界面变差，电流分布不均，加速电池内部结构不稳定。
叠片工艺在电池的循环往复使用中，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
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。极片和隔膜所受拉力容易出现不均匀、产生褶皱，极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形。而叠片电池受力均匀，在这个角度而言，电池安全性更高。
● 更长的循环寿命
叠片电池的极耳数量较多，电子传输距离越短，电阻越小，故叠片的电池内阻能够降低，电池产热小。而卷绕容易发生变形、膨胀等问题，影响电池衰减性能。
在国内做方壳电池的企业中，使用叠片工艺，蜂巢能源是第一家。2018年进入行业，蜂巢能源就一直倡导动力电池“从卷时代迈入叠时代”；2019年蜂巢能源首次亮相就展示其内部代号为“L600”的长叠片电芯，一期产线已提升至单工位0.6秒/片的生产效率；在当时的规划中，叠片的速度路径是0.6秒/片到0.45秒。蜂巢能源正式投产的二期，建设了首条“短刀”电池量产线，蜂巢Z字形叠片机，已经实现了0.45秒/片。
在目前这个时间节点，蜂巢自主研发的高速叠片技术3.0，采用极片热复合与多片叠融合技术，通过技术创新在效率方面实现了颠覆性的突破，实现了0.125秒／片的叠片速度。这就使得整体的中段工艺得到了简化，单位占地节省40%以上。同时，效率和精确性的提高，也解决了隔膜褶皱、对齐度不良等缺陷控制与监测痛点问题。
▲图3.叠片技术的规划和实现
Part 2
高速叠片和短刀方案的搭配
叠片工艺和短刀方案是如何搭配起来，这个也需要来追溯一下。
蜂巢能源的短刀电池L600叠片磷酸铁锂电芯，长度约600mm，已在蜂巢能源常州金坛工厂正式量产下线——单体能量密度达到175Wh/kg，循环寿命超过4000次，快充0-80%SOC，充电时间小于45分钟。这种电池以前因工艺原因，在生产过程中一直受叠片效率相对较低的影响。但通过设备集成——在叠片设备上多片同时切、同时叠，实现了更简单机构的高效产出，在单机设备成本几乎不变的情况下，效率提升超过200%。这就使得短刀电池的设计和高速叠片的配合实现了很好的“化学反应”。
▲图4.短刀电池序列
目前蜂巢能源是全部转向了“短刀”电池序列，在这方面能看到的好处主要体现在设计层面，比如体积能量密度高、可以作为结构件做CTP，降低成本，易于散热，安全性好。
而从“短刀”的适配性，也确实通过L300、L400、L500和L600，存在多个不同的尺寸长度合理，能够适配80％以上的乘用车，还能在不同应用环境下使用。在之前，主要的瓶颈在大规模生产阶段。通过这次工艺的导入，生产工艺也更好实现，做到更高的良品率。这是通过集成化的技术来实现的，集成了极片放卷、裁切、叠片CCD在线监测、热压功能，缩短了极片卷料到叠片之间的片料转运，降低极片裁切到叠片间的加工精度差，大幅提升了良品率。
在这里，我们也在思考，短刀为什么与叠片技术的搭配堪称完美呢？
我们能看到，刀片的设计不太适用于卷绕工艺。从实践来看，卷绕的长度不能超过300mm。目前量产的卷绕工艺支持的电芯长度在280mm-300mm，而这个尺寸形态目前是方壳的主要覆盖范围。
通过工艺设计，蜂巢的叠片工序的对齐度精度是±0.3mm，而叠片速度0.125秒。短刀电池的技术优势和制造成本优势更加明显，高性能的短刀电池与高效能的高速叠片技术结合，这套解决方案就形成了一个闭环。
Part 3
技术方案展望
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。各自有优势。
从目前的技术场景来看：
● 圆柱：4680标准化，卷绕，单个电芯的制造速度再提高，使用场景拓宽。
● 软包：往短刀和长刀过渡，使用叠片是具有更大优势的。
● 方壳：如果保持现有的尺寸，继续使用卷绕是合理的选项；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。
▲图5.不同的技术路线的选择
综合制造效率和成品率来评估两种技术路线：
● 潜力最大的是卷绕大圆柱，最主要的围绕成熟工艺开始导入干电极的工艺，我们有很大的想象空间。
● 发展最快是叠片：随着蜂巢能源在叠片技术的不断创新以及中航、亿玮锂能等动力电池企业的持续跟进，中国的电池企业都朝着超级叠片+刀片电池方案开始设计，这块的潜力最大。
● 发展走向平稳是卷绕：方壳卷绕保持现状，我们也看到了在原有的产能建设方面，这条路线是最大的。
小结：电池企业围绕工艺选择要做取舍，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阶段找到自己的立足根本。
