【技术】格瑞普针对锂电池电芯叠片技术进行详解

电池制造工艺主要分为叠片工艺和卷绕工艺两种技术路线。目前中国电池企业的主要技术方向以围绕卷绕为主，但随着叠片技术的进步及突破，大量电池企业开始采用叠片工艺生产锂电池电芯，既然如此，下面我们和格瑞普来一起看看锂电池电芯叠片技术怎么样?

图 1

电芯叠片是锂电池中段生产的核心环节

锂电池制造可统一分为极片制作、电芯组装、电芯激活检测和模组/Pack封装四大工序，其中，电芯组装属于中段生产环节，主要包括卷绕或叠片、电芯预封装、电芯注液等工序。卷绕是指将制片工序或收卷式模切机制作的极片卷绕成电芯，叠片指的是将模切工序中制作的单体极片叠成电芯。通常来说，卷绕用于方形和圆柱电池，叠片用于方形和软包电池。根据GGII测算数据，在锂电设备中，中段设备价值量占比约为35%，其中，卷绕/叠片机是中段设备的核心，价值量占比约70%。

叠片与卷绕的工艺差别主要在模切和极组成型

在模切工序，传统卷绕采用双边模切，模切极耳间距不等，冲切位置有Mark孔进行定位;而叠片采用单边模切，极耳间距相同，会进行等间距切断。在极组成型工序，卷绕正负极片连续，叠片是片状物料，在层数相同的情况下，相较于卷绕电池，叠片电池的极耳数量多一倍，同时隔膜张力几乎为零，孔隙率和原材料保持一致。目前市场上主流叠片机设备路线主要有Z字型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机和卷绕一体机四种，其中Z型叠片目前在国内应用最广泛，热复合叠片机技术难度更高，卷叠一体机涉及到日韩专利，国内应用较少。

叠片显著提升电池能量密度和安全性劣势在于效率和工艺控制等方面

和卷绕电池相比，叠片电池具有一定优势：

●更高的体积能量密度上限：在相同体积的电芯设计情况下，叠片电芯的能量密度高出约5%左右

●更稳定的内部结构和更高的安全性：不存在拐角内应力不均匀问题，每层膨胀力接近，因此可以保持界面平整，内部结构更稳定，同时拐角处受力均匀，断裂风险降低

●更长的循环寿命：极耳数量是卷绕电池的2倍，内阻相应降低10%以上，循环寿命比卷绕高10%左右

●更适合做高倍率、大尺寸和异型电池。但叠片也存在生产效率较低、良率较低、设备投资大、工艺难度大等劣势，是此前制约大批量生产的主要因素。

●方形大尺寸电池成为趋势之下,叠片有望得到大规模应用

在三种不同形态的锂电池中，圆柱电池仅使用卷绕工艺，软包工艺仅使用叠片工艺，方形电池既可以使用卷绕也可以使用叠片工艺。目前，全球头部电池企业未来产品规划逐渐向叠片电池切换。鉴于叠片电池在能量密度以及安全性等方面优于卷绕电池，伴随叠片技术的不断发展，我们预计未来方形电池中叠片工艺有望得到大规模使用。我们预测，到2027年采用叠片设备的电池产能达到845GWh，对应叠片机设备空间约319亿元，折合未来5年CAGR达到35%。

电芯叠片：锂电池中段生产的核心环节

叠片与卷绕为锂电池中段生产的核心环节，GGII测算价值量占中段设备约70%。各类锂电池的制造可统一分为极片制作、电芯组装、电芯激活检测和模组/Pack封装四大工序。其中，电芯组装属于锂电池电芯生产的中段环节，主要包括卷绕或叠片、电芯预封装、电芯注液等工序，卷绕是指将制片工序或收卷式模切机制作的极片卷绕成电芯，叠片指的是将模切工序中制作的单体极片叠成电芯。通常来说，卷绕用于方形和圆柱电池，叠片用于方形和软包电池。根据GGII测算数据，在锂电设备中，中段设备价值比重约为35%，其中，卷绕/叠片机是中段设备的核心，价值占中段设备约70%。

图 1 锂电池生产工艺图

表 1 锂电池主要生产工艺介绍及相关设备

叠片与卷绕的主要差别在于模切和极组成型两道工序。传统方形电池卷绕工艺与叠片工艺流程差异主要在模切工序和极组成型工序，其他工序的加工方法差别不大。

模切工序主要差异：

●模切方式，传统卷绕采用双边五金或者激光模切方式，模切完成后分切收卷，以卷料形式流向极组成型工序，叠片则大多采用单边五金或者激光模切方式，模切后以片状物料流向极组成型工序。

●极耳间距，卷绕的模切极耳间距不等，内圈间距小，外圈间距大，极耳的间距依据卷绕每圈的周长差进行设计，这样可以保证卷绕后的极组极耳落在同一位置，叠片的极耳则是等间距的。

●冲切位置，卷绕会根据电芯要求在片长位置设置Mark定位孔，卷绕时检测到Mark孔时会进行切断，而叠片极耳间距相同，会进行等间距切断。

图 2 卷绕和叠片模切工艺对比

极组成型工序主要差异：

●极片状态，卷绕的正负极片连续，叠片的正负极片是片状物料。

●极组完成判定，卷绕检测到Mark孔时进行裁断，完成极组卷绕，叠片则按照正负极片的设定数量进行叠片，达到设定值时完成一个电池的叠片。

●极组形态，在层数相同条件下，叠片电池的极耳数较卷绕电池多一倍。

●隔膜张力控制，卷绕在高速卷绕过程中隔膜会产生一定的张力，孔隙率会发生微小的变化，而叠片在极组成型时张力几乎为零，孔隙率和原材料保持一致。

图 3卷绕和叠片极组成型的工艺对比

目前市场上主流叠片机设备路线主要有四种，分别为Z字型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机和卷绕一体机。其中，Z字型叠片机和切叠一体机本质上都属于Z型叠片，目前在国内应用最广泛。热复合叠片机是将烘烤后的正负极片与隔膜热复合，随后经辊压，裁切成复合单元再进行叠片，相较于Z字型叠片多热复合和辊压等工序，技术难度更高。卷叠一体机是指将正负极片裁切成单元，分别贴在隔膜上，然后用卷绕的方式，实现两组正负极片相间叠放;卷叠一体机设计牵扯到国外日韩专利，例如LG新能源使用的是德国MANZ制造的卷叠一体机锂电设备。

表 2 主流叠片机设备技术路线对比

叠片优劣势分析：提升电池能量密度和安全性，受限于效率和工艺问题

总结：叠片工艺能更好提升电池性能，但是存在生产效率低、设备投资大等问题。和卷绕电池相比，叠片电池在理论上具有更高的体积能量密度上限、更稳定的内部结构和更长的循环寿命等优点，同时更适合生产高倍率电池、大尺寸电池和异型电池，但也存在生产效率较低、良率较低、设备投资大、工艺难度大等缺点。

图 4 叠片电池比卷绕电池空间利用效率更高

叠片空间利用率较高，有利于提升电池能量密度。卷绕电池在卷绕拐角部有弧度，在空间利用率上要低于叠片电池，而叠片结构可以充分利用电池的边角空间，根据《中国车规级动力高速叠片电池发展白皮书》数据，从卷绕到叠片，VDA容量提升约2.5%，在相同体积的电芯设计情况下，叠片电芯的能量密度高出约5%左右。

叠片电池不存在拐角内应力不均匀问题，内部结构更加稳定。在电池循环过程中，伴随锂离子的嵌入，正负极片均有膨胀，卷绕电池由于拐角处内外层内应力不一致，容易产生波浪状变形，导致电池界面变差，电流分布不均匀，内部结构不稳定。而叠片电池不存在拐角内应力不均匀问题，每层膨胀力接近，因此可以保持界面平整，内部结构更稳定。

图 5 卷绕与叠片电池内部结构截面存在差异

叠片电池安全性更高。在电池循环过程中，卷绕电池拐角处内应力无法充分释放，可能导致拐角处断裂，进而产生脱粉、毛刺等问题，甚至引发电池内短路，带来热失控风险。而叠片电池拐角处受力均匀，大大降低电池安全风险问题。

图 6 卷绕比叠片电池更容易出现热失控等安全问题

以上就是锂电池电芯叠片技术的介绍了，相信通过以上对锂电池电芯叠片技术的介绍大家对电池电芯叠片技术有了更加深层次的了解了，而格瑞普作为国内较早接触软包叠片工艺的锂电池厂家，早在2007年便已成立锂电事业部，并且专注于研发和制造叠片工艺软包锂聚合物电池和软包磷酸铁锂电池。发展至今，已经成为了国内外知名的叠片电池厂家，格瑞普生产的叠片聚合物锂电池被广泛应用于无人机、RC模型、农业植保、跑车、汽配、医疗、户外、海事、特种设备、工业、可穿戴设备、AR/VR和消费类电子等领域。