目前，中國電池公司的主要技術(shù)方向仍然主要圍繞繞組；圓柱形電池，如18650電池，作為一種成熟的產(chǎn)品形式，一直采用卷繞工藝。但從長遠(yuǎn)來看，隨著堆疊電池技術(shù)的進(jìn)步，世界上大量的動力電池公司已經(jīng)開始從最初的卷繞工藝進(jìn)入堆疊電池技術(shù)時代。

本文主要介紹了堆疊電池的工藝過程，并與卷繞電池的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

 

堆疊電池是什么

堆疊電池是指使用層壓工藝的動力電池。這種類型的動力電池通常分為三種形式：方形電池、軟包電池和圓柱形電池。它有兩個過程，層壓就是其中之一。

1991年5月，索尼的研發(fā)團(tuán)隊推出了世界上第一款商用手機(jī)鋰離子電池。這一成功極大地激發(fā)了全世界對鋰離子電池研發(fā)的熱情。一時間，鋰離子電池成為人們心目中最有前途的化學(xué)電池，甚至被認(rèn)為是“最后一代電池”。1996年后，ENAX在日本成立，該公司開發(fā)了堆疊電池技術(shù)（Laminate）。

堆疊電池工藝是指將涂覆的陰極和陽極混合物層劃分成預(yù)定尺寸。隨后，依次層疊陰極-電極混合物層、隔板和陽極混合物層，然后平行層疊多個“三明治”結(jié)構(gòu)層，形成可封裝的電極芯。該工藝是為棱柱電池開發(fā)的工藝，解決了卷繞結(jié)構(gòu)電池中存在的一系列問題。

 

 

堆疊電池工藝類型

目前，堆疊電池技術(shù)主要分為四種，主要是Z形層壓、切割和堆疊、熱層壓以及軋制和堆疊。

● Z形疊片是最常見的方法，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本低，毛刺小，但缺點(diǎn)是分離器容易變形，堆疊效率低；

● 在Z形疊片的基礎(chǔ)上，提高了切割和堆疊的集成度。通過切片機(jī)和層壓機(jī)的集成，可以減少裝載和卸載、轉(zhuǎn)移過程，減少顛簸，降低缺陷率。這兩對具有相同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，都可能對分離器造成損壞。

● 切割堆垛一體機(jī)的單位成本已經(jīng)略低于傳統(tǒng)切片機(jī)加Z形堆垛機(jī)，但使用率已降至80%左右。

● 關(guān)于一體機(jī)的數(shù)據(jù)相對較少，這是LG的專利。它主要用于3C電池的制造，而動力電池很少被使用。如果你對3C消費(fèi)類鋰電池制造商感興趣，可以點(diǎn)擊鏈接參考。

目前，更先進(jìn)的技術(shù)是熱復(fù)合層壓工藝，并且效率再次大大提高。理論效率可以達(dá)到0.125s/pcs（片和片的計量單位），但實際實現(xiàn)率并不理想，成本也大大增加。600-800萬元。

 

 

堆疊電池工藝要點(diǎn)

● 陽極活性材料涂層需要能夠覆蓋陰極活性材料涂層，以防止鋰沉積（鋰沉積是鋰離子電池的一種損耗條件，例如在低溫下重復(fù)充電會對電池造成損壞，降低電池的安全性，尤其是在受到外部擠壓、沖擊等時）。

● 陽極和陰極極片之間的隔板需要能夠完全分離陽極和陰極，并且它比陽極極片更長、更寬。疊層電池隔板的長度和寬度通常比負(fù)極大1-2mm。隔板的具體長度與電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計有關(guān)；

● 疊層電池要求極片和分離器堆疊的有序性高，極片和極片其他部件的裝配位置應(yīng)準(zhǔn)確，以減少空間浪費(fèi)和安全隱患；

● 堆放過程中，應(yīng)防止損壞極片，保持極片棱角平整，無毛刺。

 

堆疊電池與卷繞電池的優(yōu)缺點(diǎn)

除了堆疊，主流的電池技術(shù)是“卷繞”。接下來，我們將通過與卷繞工藝的比較來介紹堆疊工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

 

優(yōu)點(diǎn)

1.更高的能量密度

由于卷繞拐角處的彎曲，使用卷繞工藝的電池具有較低的空間利用率；而堆疊電池工藝可以充分利用電池空間。因此，在相同體積的電池設(shè)計下，能量密度也相應(yīng)地增加。

2.結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定

在電池的使用過程中，由于鋰離子的嵌入，陽極和陰極都會膨脹。對于卷繞的電池芯，由于卷繞角處內(nèi)外層的內(nèi)應(yīng)力不一致，電池芯會發(fā)生波浪狀變形，從而導(dǎo)致電池界面的惡化。

如果電流分布不均勻，電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將變得越來越不穩(wěn)定，并且這個過程將加速。然而，堆疊電池工藝的電池在重復(fù)使用過程中會膨脹，但通常情況下，每層的膨脹力相似，因此界面可以保持平坦。

3.更高的安全性

極片的膨脹和收縮、隔板的拉伸等都會引起電芯的變形，確保電芯的最小變形，這也是電池安全的保證。

卷繞過程中，兩端極片發(fā)生彎曲，涂層材料會發(fā)生較大的彎曲變形；同時，彎曲處容易出現(xiàn)掉粉、毛刺等問題；極片和分離器承受張力，容易產(chǎn)生褶皺和不均勻。疊層電池受力均勻，變形小，疊層電池的安全性更高。

4.循環(huán)壽命更長

循環(huán)壽命是電池的關(guān)鍵特性之一。堆疊電池具有更多的接線片，電子傳輸距離越短，電阻越小，因此可以降低堆疊電池的內(nèi)阻，并且電池產(chǎn)生的熱量較小。然而，繞組容易出現(xiàn)變形和膨脹等問題，影響電池的衰減性能。

 

 

缺點(diǎn)

1.設(shè)備效率低

一般動力電池的繞線效率為12PPM（每分鐘紙數(shù)，指每分鐘輸出量），方形繞線機(jī)在極片長度為6000mm時可以達(dá)到這一效率；然而，傳統(tǒng)Z形疊片的效率僅為4PPM，并且效率相差三倍。此外，層壓設(shè)備的占地面積比卷繞機(jī)大，進(jìn)一步降低了效率。

2.設(shè)備投資高

從單個生產(chǎn)線的角度來看，所需的繞線機(jī)數(shù)量與每個電池單元的長度有關(guān)。一條生產(chǎn)線一般需要10臺繞線機(jī)，投資約3000萬元；

使用堆疊工藝，一條生產(chǎn)線所需的堆疊機(jī)數(shù)量與電池數(shù)量有關(guān)，一條產(chǎn)線的堆疊設(shè)備投資為6000萬元甚至更多。

3.缺陷率高

繞組電池易于切割，并且具有高通過率。每個電池只需要切割一次正極和負(fù)極，難度較??；然而，堆疊片材的切割很繁瑣，而且每個堆疊電池都有幾十個小塊，容易出現(xiàn)缺陷產(chǎn)品，因此單個堆疊電池容易出現(xiàn)橫截面等問題。

鑒于堆疊電池在能量密度和安全性方面優(yōu)于卷繞電池，并且隨著堆疊技術(shù)的不斷發(fā)展，我們預(yù)計方形電池中的堆疊工藝有望在未來大規(guī)模使用。