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干货|堆叠电池VS卷绕电池——详细对比分析

锂电联盟会长 2023-10-08 11:59
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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，而圆柱形电池如18650电池、21700电池、4680电池等到处都有弧度，所以只能卷绕。
绕线工艺的开发时间相对较长，工艺成熟，成本低，良品率高。但对比叠层电池与卷绕电池，随着电动汽车的推广和发展，叠层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。
1. 堆叠电池与卷绕电池的生产工艺
卷绕和叠片是锂电池中间电芯组装过程中的核心环节。卷绕是一种生产工艺，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。
与叠片电池和卷绕电池不同，叠片电池是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，软包电池只能采用堆叠技术。方形电池可以采用叠层工艺，也可以采用卷绕工艺，目前主流是卷绕工艺。圆柱电池只能采用卷绕技术。
2. 堆叠电池与卷绕电池的工艺比较

堆叠
绕线
能量密度
更高，更高的空间利用率。
降低，有C角，容量越大，利用率越低。
结构稳定性
更高，内部结构均匀，反应速率较低。
降低，存在C角，导致充放电内部反应速率不均匀。
快充适配
更好的，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。
较差，在充放电过程中，高温位置活性物质的降解速度加快，其他位置则迅速衰减。
安全
风险很低，应力分布更加一致，使界面保持平整、稳定。
降，弯曲处容易出现粉末脱落、毛刺、极片膨胀、隔膜拉伸等潜在问题。
循环寿命
更长，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。
更短，后期容易变形，进而影响电池的循环寿命。
生产率
大容量电池一般较低，主要是6-8PPM。
较高，一般在12-13PPM。
产量
低，毛刺问题突出。
自动化程度更高，成品率更高，极片数量更多。
流程成熟度
低，极片数量多，设备投资大。
更高、极片更少、设备成熟、投资成本低。
3、堆叠电池相对于卷绕电池的优点
  • 更高的电池能量密度
缠绕拐角处有弧度，空间利用率比叠放低。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%。
  • 内部结构更稳定
对比堆叠电池和卷绕电池，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。
卷绕电池在使用过程中，随着锂离子的嵌入，正极和负极都会膨胀，由于卷绕角部内外层内应力不一致，会出现波状变形。这种变形会导致电池界面恶化，电流分布不均匀，加速电池内部结构的不稳定。
  • 安全性更高
堆叠电池受力均匀，两端不存在弯曲问题，电池安全性更高。但相比堆叠电池vs卷绕，卷绕两端极片弯曲后，涂层材料会发生较大弯曲变形，“C角”弯曲处容易出现掉粉、毛刺问题。严重时会造成电池内部短路，引起热失控。
  • 更长的循环寿命
堆叠电池的极耳数量是卷绕电池的两倍，极耳数量越多，电子传输距离越短，电阻越小。
众所周知，当电压和时间一定时，电阻越大，产生的热量越少，电阻越小，产生的热量越小，所以堆叠电池的使用寿命相对比卷绕电池长。堆叠电池与卷绕电池。
4、堆叠电池相对于卷绕电池的缺点
设备效率低，堆垛机占地面积比缠绕机大。
  • 设备投资高
从单条生产线来看，一条生产线需要10台绕线机。按照3-350万元/台的价格计算，一条生产线下一台绕线机的成本约为30-35元。一条生产线所需堆垛机的数量与电池片的数量有关。
  • 成品率低
卷绕电池易于切割，合格率高。每个电芯只需要切割正负极一次，难度较小。但相比堆叠电池与卷绕电池，堆叠切割时每个电池有几十个小片，每个小片有四个切割面，很容易出现次品。
  • 难以控制
卷绕电池只需两个极片，卷绕点焊容易，且每个电池只需两个点焊，易于控制。但与堆叠电池VS卷绕不同的是，堆叠极片数量较多，容易出现虚焊。所有极片必须点焊到一个焊点上，操作困难。
卷绕过程是通过控制极片的速度、张力、相对位置等，将分切后的正负极和隔膜卷绕在一起。该工艺的特点使得只能制备出规则形状的锂电池。
相比叠片电池与卷绕电池，叠片工艺是将正负极与隔膜通过送片机构交替叠放，形成叠片电芯，可生产具有更高灵活性的规则形状或异型锂电池。
5. 结论
卷绕电池内阻较大，通过结构改进可以大大降低内阻。例如，全极耳结构可以达到与堆叠结构类似的内阻水平，但它需要更高的设备能力和质量控制。
与堆叠电池和卷绕电池不同，堆叠电池具有扁平结构、内阻低、空间利用率高。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堆叠路线。
资料来源：
https://www.tycorun.com/blogs/news/stacking-battery-vs-winding
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