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众所周知,动力电池的技术路线纷繁复杂。除了正极材料的区分外,按电芯的封装方式可分为圆柱、方形、软包三种;制成工艺上又可分为卷绕和叠片两种,其中圆柱以卷绕为主,方形和软包虽然都适用卷绕和叠片,但目前方形仍以卷绕为主。
从出货量上看,卷绕是“货真价实”的主流。
卷绕通过固定卷针的卷绕,将正极极片、隔膜、负极极片按照顺序卷绕积压成圆柱形、椭圆形或方形,再放入方形或圆柱的金属外壳中。该工艺起步于上世纪90年代,经过近30年的发展,已经形成更为成熟的技术体系,在电芯一致性和成本控制方面都有较大优势。
叠片则是将正负极极片按一定尺寸裁切,然后将正负极片、隔膜交替叠合成电芯。相较于卷绕,叠片需要将极片与隔膜裁切成片,不仅工序上更为繁琐,且裁切过程中容易出现断面、毛刺等问题,影响极片分切的良率;单位面积内的叠片效率低于卷绕,故需要多工位叠片,设备资金投入更多。
但从电芯性能上看,叠片制成的电芯更为出色,而卷绕有着难以逾越的“鸿沟”。
一方面,正负极片和隔膜被卷绕制成电芯后,其两侧边缘位置的电极存在较大曲率,在充放电过程中容易发生变形和扭曲,从而导致电芯性能下降甚至构成安全隐患;另一方面,由于放电过程中两侧电流分布不均,卷绕电芯的电压极化较大,导致其放电电压不稳。
与卷绕不同,叠片工艺的原理决定了电芯的正负极片和隔膜不会在制造过程中发生弯曲,能够充分展开堆叠在一起。这不仅能减少电芯内阻、提升电芯功率,更重要的是,平整稳定的界面让极片能够同步收缩膨胀,让变形和电场变得均匀,使得电芯内部电子移动更容易,从而实现更快的充放电速度。
因此,在相同体积下,叠片电芯的能量密度较卷绕要多约5%,并且具备更长的循环寿命。
除了性能外,叠片电芯的安全性也更好。卷绕电芯主要是沿卷轴方向散热,加上卷绕层数较多,其传热散热的效果都不理想;叠片电芯凭借较少的极片堆叠层数和更大的表面积,传热散热效果明显,电芯热稳定性得到增强。
总结来看,叠片工艺在能量密度、安全性、充放电效率方面要优于卷绕工艺。
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