一、工藝原理
1.疊片工藝:
把正負極片裁剪成所需尺寸,然后將它們與隔膜疊合在一起,形成小型電芯單體,接著小電芯單體疊放并聯形成電池模組。
2. 卷繞工藝:
通過固定卷針將完成分條的正極極片、隔膜和負極極片根據一定順序卷繞,并擠壓成圓柱形、橢圓柱形或方形。然后,再將這些卷繞好的極片放置在方形或圓柱形的金屬外殼里。極片的尺寸和卷繞的圈數通常由電池的設計容量來決定。
二、電學性能差異
1.內阻:
疊片工藝制造的電池內部電阻較低,這是因為疊片工藝采用多個極耳并聯焊接,減少了鋰離子的遷移路徑,低內阻可改善電芯在使用時的發熱情況,使得電芯初始能量密度的衰減速率變慢。相比之下,卷繞工藝制造的電池由于采用單極耳輸出電流,內部電阻較高。
2.循環壽命:
疊片工藝制造的電池具有較好的散熱性能,其內部結構支持較均勻的分布熱量;而卷繞工藝制造的電池由于內部結構與機械表現出梯度性變化,散熱方向不均勻,容易出現溫度梯度分布的情況。這導致卷繞工藝的電池在長期使用中容易出現容量衰減較快的現象,造成電池的循環周期偏短。
3.電極片機械應力:
兩種工藝還存在機械應力方面的差異,疊片工藝制造的電極片之間受力區域相同,無明顯應力集中點,充放電過程極片材料層不易損壞。而卷繞工藝制造的電芯在彎折處產生應力集中,容易在電信號的刺激下導致電池發生結構性破壞、短路和鋰金屬析出等問題,從而影響電池的循環壽命。
4.電池倍率性能:
疊片工藝制造的電池相對于卷繞工藝具有更好的倍率性能,短時間內能更快地完成大電流放電。這是因為疊片工藝相當于將多個極片并聯起來,增加了電流通道。
5.能量密度設計差異:
疊片工藝能更好地利用封裝空間,增加有效材料的填充,因此疊片工藝制造的電池能支持更高的能量密度。而卷繞工藝由于電極片彎曲的圓形結構、與所使用的雙隔膜結構占據了一定空間,未能達到更高的空間利用率,導致能量密度較低。
三、工藝優勢
1.疊片工藝優勢:
容量密度高:疊片工藝能夠更好地利用內部空間,相比卷繞工藝,電池體積相同情況下具有更高的容量;
能量密度高:疊片工藝制造的電池具有更高的放電平臺和體積比容量,因此能夠具有更高的能量密度;
尺寸靈活:疊片工藝可以根據鋰電池的尺寸設計每個極片的尺寸,因此可以做成任意形狀。
2. 卷繞工藝優勢:
點焊容易:卷繞工藝只需要對每個鋰電池進行兩處點焊,操作相對簡單;
生產控制簡單:卷繞工藝的一個電池兩個極片,易于控制;
分切方便:每個電芯只需進行一次正負極的分切,難度系數小、并且不良品概率低。
四、工藝劣勢
1.疊片工藝劣勢:
容易虛焊:由于需要將多層正極或負極極耳焊接在一起,操作難度較大且容易虛焊;
設備效率低:目前國內疊片機的效率通常為0.8秒/片,與進口疊片機的0.17秒/片相比存在較大差距。
2. 卷繞工藝劣勢:
內阻較高且極化大:由于卷繞工藝正負極只有單一極耳,一部分電壓會被消耗在電池內部極化過程中,導致電池的充放電倍率性能較差;散熱效果不佳:卷繞工藝不易操作電芯間的熱隔離措施,處理不當容易導致局部過熱,進而引發熱失控;電池厚度難以控制:由于卷繞工藝制造的電芯內部結構不均一,極耳處、隔膜收尾處以及電芯兩側的厚度容易不均。