锂离子电池 电池已成为当今时代无处不在的动力源，为从手持设备到电动汽车和大型储能系统等各种设备提供动力。对更高能量密度、更高安全性和更具成本效益的生产的需求不断推动着电池技术和制造工艺的创新。生产锂离子电池的关键步骤之一是组装电池，即把电极和隔膜组装在一起。这一阶段主要采用两种方法：卷绕法和堆叠法。每种方法都有自己的优缺点，因此对电池制造商来说，如何在这两种方法中做出选择是一个关键的决定。
本文对锂离子电池的卷绕和堆叠进行了全面比较，探讨了它们的基本工艺、性能特征的主要差异、对各种应用的适用性以及未来趋势。了解这些细微差别对于工程师和制造商优化电池设计和生产以满足特定需求至关重要，尤其是在快速发展的电动汽车 (EV) 领域。
了解锂离子电池单元组装
在比较这两种方法之前，了解每种流程的基本原理至关重要。
卷绕过程
卷绕过程包括将阳极、隔膜和阴极的长片以螺旋状紧密卷在一起，通常称为 "果冻卷"。这种连续的滚动会产生被绝缘体隔开的交替电极材料层。然后，通常会将卷筒压平或插入圆柱形或棱柱形外壳中。
- 关键材料 阳极（如石墨、硅复合材料）、阴极（如 NMC、NCA、LFP）和多孔分离器。
- 典型的单元格格式： 主要是圆柱形电池（如 18650、2170 和 4680 格式）和一些棱柱形电池。
可以把它想象成一层层交替卷起的三明治。这种方法以高速和相对简单的自动化而闻名。
堆叠工艺（层压）
相比之下，堆叠工艺（也称层压工艺）则是将阳极、隔膜和阴极的单个切割片层层叠加在一起。这种逐层组装的方式可以形成棱柱形或袋状电池。然后将接片连接到相应的电极层。
- 关键材料 与绕组类似：阳极、阴极和分离器，但加工成单独的薄片。
- 典型的单元格格式： 主要是袋状细胞和一些棱柱状细胞。
想象一下将单张纸片堆叠起来，中间夹上绝缘片的情景。虽然在处理单个组件方面可能更加复杂，但堆叠在空间利用和设计灵活性方面具有独特的优势。
关键区别：缠绕与堆叠
选择卷绕还是堆叠会对最终电池的特性产生重大影响。让我们来探讨其中的主要区别：
能量密度和空间利用
- 缠绕： 虽然圆柱形设计很有效率，但圆形设计会导致空间利用率降低，特别是在矩形或棱形外壳中，会留下闲置的边角区域。
- 堆叠： 空间利用率高，尤其是棱柱形和袋装形式。分层结构可使矩形体积填充得更完整，从而提高潜在的体积能量密度。
对于在给定体积内实现能量最大化至关重要的应用，如高性能电动汽车，堆叠技术具有显著优势。
内阻和性能
- 缠绕： 通常情况下，连接电极的片数较少，电子通路较长，因此内阻略高。
- 堆叠： 便于使用连接到不同层的多个接片，有效缩短了电子传输距离，降低了内阻。电阻的降低可带来更好的高速性能（充电和放电速度更快）和发热量的减少。
堆叠可通过以下方式降低内阻 10-15% 与缠绕式相比，它有助于改善功率传输和热管理。
因此，对于要求高功率输出的应用（如电动汽车加速）来说，堆叠技术尤其具有吸引力。
周期寿命和耐用性
- 缠绕： 缠绕过程中的机械应力和电极材料在循环过程中的膨胀/收缩会导致应力集中，尤其是在缠绕果冻卷的四角。
- 堆叠： 分层结构通常会使材料膨胀和收缩时的应力分布更加均匀，从而可能提高循环寿命和耐用性。由于没有像绕线那样的紧密弯曲，因此可以减少机械退化。
虽然具体数据因电池设计和材料而异，但叠层电池应力分布更均匀的原理通常与更长的使用寿命相关。
安全
- 缠绕： 如果分离器中存在缺陷，或由于机械应力导致各层接触，特别是在弯曲边缘，紧密的缠绕有时会导致内部短路。
- 堆叠： 虽然层压需要精确对齐以避免层间短路，但更可控的分层以及在层间加入更坚固的分离器的可能性有助于提高安全性。均匀的压力分布也降低了局部应力导致分离器失效的风险。
绕组电池中的 "C 角 "历来是潜在短路的隐患所在。
生产效率和成本
- 缠绕： 一般被认为是一种更快、更成熟的工艺，具有高产量，对某些格式（如圆柱形电池）的初始设备投资可能更低。生产效率可达每分钟 >12 个零件。
- 堆叠： 从历史上看，由于要处理单个纸张，堆垛速度较慢，也较为复杂。然而，自动化技术的进步正在提高其效率（目前约为每分钟 6-8 个零件）。高精度堆垛设备的初始投资可能较高。
对于大批量生产较小的圆柱形电池，卷绕法通常具有成本优势。然而，对于需要高能量密度的袋装电池和较大的棱柱电池，堆叠电池的优势可能会超过潜在的较高制造成本。
热管理
- 缠绕： 由于缠绕结构紧密，散热可能不太均匀。
- 堆叠： 叠层电池的分层结构通常可实现更高效、更均匀的散热，特别是在袋式电池中，平整的表面有利于更好地与冷却系统接触。与缠绕式电池相比，叠层电池在高速放电情况下的温度变化要小得多。
有效的热管理对电池寿命、性能和安全性至关重要，因此堆叠技术在大功率应用中具有优势。
应用：每种方法的优势
缠绕式电池和叠层式电池具有不同的特性，因此适用于不同的应用场合：
- 缠绕： 常见于消费类电子产品（笔记本电脑、电动工具）和某些成本敏感型或标准化格式的电动汽车电池组（通常使用圆柱形电池）。成熟的制造工艺和某些规格的成本效益是其主要优势。
- 堆叠： 对于高性能电动汽车和储能系统来说，最大化能量密度、实现高功率输出和卓越的热管理至关重要，因此这种电池越来越受到青睐。袋式电池通常采用堆叠法制造，在许多现代电动汽车中非常普遍。
例如，许多早期的电动汽车采用圆柱形的缠绕式电池，而较新的高性能车型则通常采用利用堆叠技术制造的袋式电池，以实现更长的续航里程和更大的功率。
未来趋势
卷绕和堆叠技术都在不断发展。棱柱电池高速卷绕技术的进步以及堆叠工艺在速度和精度方面的改进正在模糊两者之间的界限。此外，人们对混合方法和创新电池设计的兴趣也在不断增长，这两种方法都可能包含其中的元素。目前正在开发集成式卷绕和层压设备，以结合两种技术的优势。更高能量密度和更安全电池的发展趋势可能会继续促进堆叠技术在某些高需求应用领域的发展。
结论
在锂离子电池组件组装中，选择卷绕法还是堆叠法并不是一个普遍优于另一个的问题。相反，它取决于能量密度、功率性能、安全性、制造成本和应用的具体要求等因素之间的权衡。虽然对于许多应用来说，卷绕法仍然是一种经济高效的方法，但堆叠法正日益受到重视，特别是在电动汽车和储能领域，其在能量密度、热管理和性能方面的优势备受推崇。随着电池技术的不断进步，我们可能会看到利用两种方法优势的进一步创新。
常见问题
- 锂离子电池卷绕和堆叠的主要区别是什么？
- 卷绕是将电极层和隔膜层卷成螺旋状（果冻卷），而堆叠则是将单个薄片层层叠加。
- 缠绕法和堆叠法哪种能量密度更高？
- 一般来说，堆叠能提供更高的体积能量密度，因为能更好地利用空间，特别是在棱柱形和袋装格式中。
- 对于锂离子电池来说，一种方法比另一种方法更安全吗？
- 两者都有安全方面的考虑。堆叠法的应力分布更均匀，具有一定优势，而缠绕法在弯曲处存在潜在风险。这两种方法的先进设计和制造工艺都旨在最大限度地提高安全性。
- 卷绕和堆叠哪种制造工艺更具成本效益？
- 对于大批量生产圆柱形电池而言，卷绕工艺由于速度快、自动化程度高，通常更具成本效益。不过，这也会因电池格式和所需性能而异。
- 对于电动汽车，是选择缠绕式电池还是堆叠式电池？
- 虽然早期的电动汽车使用缠绕式圆柱形电池，但由于其能量密度更高、热管理更好，在高性能电动汽车中使用叠层袋式电池和棱柱电池的趋势日益明显。
- 叠层电池与卷绕电池相比有何优势？
- 堆叠式电池的优点通常包括能量密度更高、内阻更低（功率性能更好）、由于应力更均匀，循环寿命可能更长，以及热管理更好。
