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（源头：广东电板）
【摘要】 锂离子电板是现阶段新能源汽车中应用最广泛的电板。以系统梳理圆柱形锂离子电芯谋划近况为观念，阐明了圆柱形电芯的结构特色和坐褥工艺旨趣，对比分析出圆柱形电芯具有一致性好、安全性高、本钱低的优点，阐明了小圆柱电芯的发展历程和大圆柱电芯的发展和应用近况，并对其异日发展趋势进行了研究，以期为新能源汽车电板本领的捏续打破提供参考。
关节词：新能源汽车；圆柱电芯；电芯结构；电板坐褥工艺；应用近况
0 前言
连年来，国度和产业界已将电动汽车本领谋划和恶果转换成就为中枢发展重心，旨在加快汽车工业转型升级进度[1-2]。能源电板从早期的铅酸蓄电板、镍镉电板、镍氢电板，慢慢演进至面前主导市集的锂离子电板以及异日有望上市应用的钠离子电板。受限于本领熟悉度，能源电板本领在发展初期并未取得广泛良善，但跟着国度战术的歪斜和扶捏，汽车电动化已经成为我国乃至天下汽车发展的主要标的[3-5]。
与传统的铅酸、镍镉和镍氢电板比拟，锂离子电板具有能量密度高、安全性好以及寿命长的优点，是现在电动汽车领域应用最广泛的能源电板[6]。从化学体系分析，三元锂和磷酸铁锂是面前能源电板电芯材料的2 个主流标的[7]。其中，三元锂的能量密度更高，但使用寿命和安全性较差。而磷酸铁锂寿命更长、安全性更强，但其在能量密度方面略有不及。因此，异日研发的重心在于通过矫正正、负极材料和电解液，更有用地平衡能量密度与安全性能之间的固有矛盾。按封装口头不同，可将锂离子电芯分为圆柱形、方形和软包3 种类型。圆柱电芯因其尺寸程序化程度高，具备坐褥效率高、本钱低的上风，是现在工艺最为熟悉的封装口头，始终被特斯拉等主流车企继承[8]。
张开剩余91%本文聚焦于圆柱形锂离子电芯，阐明了其结构和工艺特色，系统分析了电动汽车用圆柱形电芯的发展历程及应用近况，并对异日发展趋势进行预测。
1 圆柱形电芯结构与工艺
圆柱形锂离子电芯的结构时时包括正极、负极、隔阂、电解液4 种主材，以及外壳、盖帽、垫片、安全阀等辅材。其中，盖帽为电芯正极，外壳为电芯负极，一般继承镀镍钢板材质，其结构如图1所示[9]。
注：正温度通盘效应（Posive Temperature Coefficient，PTC）
圆柱电芯的坐褥工序，可分为极片制备工段、电芯安设工段和注液后工段[10]，如图2所示。
极片制备主要包括匀浆、涂布、辊压、分切和制片5个工序。在匀浆工序，通过搅动的方式将电极材料、导电剂等物料充分夹杂，得到均匀平稳别离的浆料[11]。随后进入涂布工序，将浆料涂覆在正极或负极集流体上，再通过加热烘干溶剂得到极片。极片涂布的质料与斥地遴荐和集流体材料关系。通过顺序涂布斥地的喷嘴宽窄、风量大小以及温度散布，趋奉名义景况不雅察和面密度测试监控涂布景况，不错保证极片干燥充分、无龟裂卷曲，得到质料较好的极片[12]。在集流体材料方面，传统的铝箔、铜箔在内容坐褥中易产生掉粉的抖擞，为了改善该问题，涂炭箔、腐蚀箔等材料慢慢干预市集应用，有助于改善电芯的安全性和功率脾气[13]。涂布完成后，极片通过辊压机压实顺序极片厚度，确保辊压后的极片妥贴工艺参数要求。接下来继承分条机将极片裁切成单电芯需要的宽度，除极片尺寸外，需要重心管控裁切后极片边际的毛刺大小，时时需小于20 μm[14]。临了，在制片机上焊合极耳，粘贴绝缘胶包覆表露的极耳和集流体，完成极片的制备职责。
在电芯安设工段，卷绕是将正负极极片与隔阂拼装成圆柱形卷芯的中枢工序，对电芯的安全性和电性能具有较大影响。卷绕对工艺精度的要求较高，需保证隔阂系数包覆负极极片，负极系数包覆正极极片，不然极易使正负极战役形成电芯里面短路，带来安全隐患。卷芯入壳后，通过底焊将负极耳与钢壳流畅，此时钢壳带负电，再通过滚槽对壳内卷芯进行限位，此进程需严格把控滚槽高度，不成糟蹋卷芯[15]。随后经过烘烤、注入电解液和焊端盖工段，进入电芯安设的封口工段。封口是将外壳和盖板密封，使电芯里面形成一个系数密闭的电化学系统，在该工段需要保证工艺平稳以取得密封性完满可靠的电芯。
电芯安设完成后，对电板进行清洗，撤退外壳名义残留的电解液，辞谢腐蚀钢壳。为了使坐褥的电芯不错正常充、放电，需要进行化成工序，激活电芯电性能。通过遴荐合适的化成电流、电压和温度等，不错有用优化和提高电芯性能[16]。临了通过老化和分选等工序筛选出压降、内阻和容量均及格的电芯产物。
在化学体系和材料交流的前提下，与方形和软包电芯比拟，圆柱电芯的坐褥工艺熟悉度更高，具有产物一致性高、安全性强和本钱低的优点。
（1）产物一致性高。面前市面上方形和软包电芯的尺寸具备各样化的特色，电压容量等参数不斡旋且定制化产物居多，导致不同厂家坐褥电芯的工艺存在较着互异。而圆柱电芯的电芯尺寸固定，在产物本领和坐褥工艺方面均比较熟悉，不错确保产物具有较高的良品率。在化学体系交流的条目下，圆柱电芯具有更高的结构一致性，成心于电板组的经管和电板性能的阐明。同期，将其应用于能源电板，有助于普及整车温度一致性与安全性[17]。
（2）安全性强。圆柱电芯的外壳材质一般为钢壳，硬度较高，在受到外界碰撞的情况下，不错在一定程度上保护电芯里面材料不被糟蹋，安全性更好，而方形和软包电芯时时继承铝壳或铝塑膜封装，铝材质的机械强度差，容易发生糟蹋，更易导致安全事故的发生[18]。另外，由于圆柱电芯的尺寸较小，可将每个电芯的能量顺序在较小的范围内。与大尺寸的电芯比拟，即使电板组的某个电芯发生故障，也能责怪故障带来的影响[19]。跟着圆柱电芯坐褥工艺水平的普及和发展，其安全性能也在握住提高。
（3）本钱低。圆柱电芯产物在结构假想、坐褥制造工艺、制造斥地和成组本领方面均具有较高熟悉度，故其运行本钱和珍爱本钱较低[20]。除此以外，由于其坐褥规模大且坐褥效率高，也有用责怪了坐褥本钱。
在性能方面，方形和软包电芯在边角处化学物资的活性较差，始终轮回使用对性能影响较大，而圆柱电芯因其中心向外部各标的的距离交流是以不存在该问题，且散热效果更好。表1列出了圆柱电芯、方形电芯和软包电芯的特色。
表1 3种结构电芯特色
现在，按照电芯尺寸，可将市面上常见的圆柱电芯分为小圆柱和大圆柱。典型的小圆柱电芯包括18650 电芯和21700 电芯（图3），其称呼的前2 位数字代表电芯直径，后2 位数字指电芯高度，临了一位“0”指代圆柱电板（如有）。大圆柱电芯以46 系列的4680电芯为代表（图3），另外还包括34系列的34110电芯、34120电芯以及40系列的40135电芯等。圆柱电芯呈现出大尺寸化的趋势，且跟着结构和材料的转换性发展，电芯性能得到了显贵普及，接下来本文将对圆柱电芯的发展历程和应用近况进行分析。
2 小圆柱电芯发展历程
2.1 18650电芯
18650 电芯于1994 年发源于日本索尼公司，发展于今，其产物安全性、一致性和坐褥工艺均达到了较高水准，被广泛应用于数码产物领域。
特斯拉是最早使用18650圆柱电芯的电动汽车品牌，2008 年上市的Roadster 是特斯拉第一款量产使用锂电板的纯电动汽车，其搭载的电板包由松下公司坐褥的6 831节18650圆柱形电芯构成，串并联方式为每69节并联为一组，每9组串联为一层，最终串联堆叠成11 层。Roadster 电板电量为53 kWh，单次充电的行驶里程超越320 km，最高车速能达到201 km/h，效率高达92%，在续驶里程、效率以及性能等方面均表现出色[21]。
跟着电动汽车的闹热发展，18650 电芯受到新能源电动汽车主机厂广泛良善，从2019年起被越来越多的汽车品牌用作能源电板。2019 年亮相的零跑LPS01继承比克坐褥的18650-2.75 Ah 电芯，整包电量为36 kWh，最大续驶里程可达到360 km，在快充模式下充电48 分钟电量可达80%以上。2020 年的小鹏G3 400 继承联动天翼坐褥的18650 圆柱电板包，整包电板组电量为50.5 kWh，新欧洲驾驶轮回（New European Driving Cycle，NEDC）续驶里程达到401 km。Tesla继承圆柱电芯算作能源电板，旗下多款车型搭载18650 电板包[22]。Model S 继承7104 节产自松下的18650 圆柱电芯，电板组电量达到了85 kWh，整车续航提高至500 km。2019 款Model X 一样搭载松下18650 电板包，整包容量为100 kWh，百公里加快时刻为4.6 s，续驶里程为575 km。
18650 电芯尺寸较小，时时需要上千颗电芯成组才气终结纯电乘用车百公里续航，成组效率较低。现在已渐渐转向双轮电动车、电动器具、移动电源市集发展。异日，跟着本领的跳动和新材料的应用，18650电芯有望在这些领域接续保捏竞争力，并慢慢拓展到更多应用场景。
2.2 21700电芯
跟着连年来能源电板的快速发展，用户对电板的容量、充电耗时、能量密度等性能淡薄了更高的要求。尽管18650 电芯的本领熟悉，但受限于自体格积，容量普及的空间较小，应用远景受到限制，且暴涌现成组复杂、产热量高以及无法快充的问题。基于此，圆柱形电板运行向大型化发展，21700 电芯应时而生。2017 年1 月4 日，特斯拉晓示与日本松下谋划开发的新式21700 圆柱电板运行量产，21700 电板尺寸为直径21 mm、长度70 mm、质料约为68 g、容量为4～5 Ah。该电芯不祥在体积和容量之间取得更好平衡，从而取代小尺寸的18650 电芯[23]。21700 电芯不仅保捏了18650 电芯的高可靠性和平稳性，且在其他方面也有较大普及，如电芯容量普及35%，能量密度普及约20%[24]。另外，由于电芯体积增大、容量普及，达到交流能量所需的电芯数目可减少约1/3，在责怪电板系统经管难度的同期减少了电板包结构件和电气流畅件的数目，提高电板里面空间的有用诈欺率，从而使得电板包质料下落约10%左右，本钱下落约9%[25-26]。
连年国表里电板企业积极布局21700 电板，外洋圆柱电芯坐褥企业主要包括松下和三星，国内闻明的代表厂商主要包括比克电板、亿纬锂能、力神电板以及猛狮科技等。松下为特斯拉Model 3 供货21700 三元锂离子电芯，单体能量密度约为250 Wh/kg。以国产Model 3 程序续航后轮驱动升级版为例，其整车电量为52.8 kWh，NEDC续航为455 km，在快充模式下从电量30%充到80%仅需35 分钟。与Model S 比拟，百公里耗电量大幅责怪，这主要归功于电芯的升级和优化。力神电板的21700 产线于2017 年运行投产，是国内率先终结量产的厂家，为梅赛德斯AMG 车型供货3.0 Ah 高功率21700 电芯。江淮iEV6E 搭载力神4.5 Ah 的21700三元锂电板，整车电量为41.5 kWh，续航达到310 km。比克电板于2022 年将21700 电芯容量普及至5.3 Ah，打破国内21700 电芯5.0 Ah 的容量极限。21700-5.3 Ah 电芯在正负极材料上进行了转换应用，正极材料中镍含量普及至Ni90，同期责怪了钴含量，负极材料在碳中掺入高首效硅，终结正负极效率的高度匹配[27]。比克21700-5.3 Ah 电芯主要面向高端双轮电动车和智能家居领域。在能源电板领域，比克为零跑S01 智能进化车型批量供货镍钴锰酸锂三元锂（lithium Nickel Cobalt Manganese oxide，NCM811）电板的21700 电芯，续航可达460 km。亿纬锂能一样尽力于通过转换假想提高21700 电芯的性能，其自主研发的21700 40PL 产物，基于全极耳结构假想有用责怪电板阻抗，使电芯功率得到普及，可应用于工业级器具和各样电动器具，答应微型化和轻量化的应用需求。
21700 圆柱电芯在18650 电芯的基础上进行转换，普及了电芯容量和能量密度，但尺寸相对较小，仍属于小圆柱电芯范围，在电板包整包的能量密度和体积诈欺率方面不占上风，基于圆柱电芯大型化发展的趋势，21700电芯在能源电板领域仅为过渡态，异日将更多大地向电动器具和双轮电动车领域进行应用和开发。
3 大圆柱电芯发展近况
为叮属电动汽车对电板性能日益增长的需求，特斯拉效力惩处安全性、本钱与性能三者间的固有矛盾，推出了4680大圆柱电板。特斯拉在2020年9月的电板日上认真发布了4680电板，仍是公布便引起了国表里电板厂商广泛良善。4680 电板与小圆柱电板最较着的互异在于电板尺寸。圆柱电板的直径越大，单体的容量越高，通盘电板包内的电芯数目将减少，利于电板经管系统（Battery Management System，BMS）的经管。但若电芯直径过大，里面极片卷绕的厚度将加多，加多电芯散热难度。特斯拉以为46 mm 是兼具续航普及、降本钱和安全性3 方面优点的最优尺寸[28]。圆柱电板的高度主要取决于不同电动车的底盘假想，不局限于80 mm，现在行业主流的高度假想有80 mm、95 mm、110 mm 等。4680电板在尺寸上作念出了较大转换，性能得到进一步优化，与21700 圆柱电板比拟，其直径增大了2 倍以上，能量普及5 倍，输出功率普及6倍，本钱减少了56%，搭载4680 电板的整车续驶里程加多约16%，取得了跨越式跳动[29]。
3.1 转换本领应用
为了最大化应用4680电板性能，在电芯结构和工艺方面继承了2 项先进转换本领，即全极耳假想和干法电极本领。
3.1.1 全极耳假想
传统小圆柱电板极耳时时焊合在正极或负极极片的一侧，卷绕后，电子流通需通过通盘极片，旅途较长，这导致电板内阻增大，产热也会相应增多，从而增大了电板热失控的风险[30]。全极耳本领最早由特斯拉淡薄，其假想理念是断念焊合极耳，正负极极片的一端使用导电涂层进行粉饰，卷绕后不错与壳体平直战役，这么电子不祥平直在集流体和电板壳体间进行传导，全极耳结构鸟瞰图如图4 所示[31]。全极耳本领不错成倍增大电流传导面积，缩小电子流通旅途5%～20%，从而使电板内阻责怪了5～20 倍，有用普及了电板功率。导电涂层和电板壳体的战役面积达到100%，别离了发烧区域，减少电芯发烧量，同期全极耳赋予电板愈加浩繁的热量传输通说念，改善散热效果，增强了电板的热平稳性[32]。如图5所示，在该结构中，电子更容易在电板里面移动，电流倍率提高，有助于普及电板快充性能。另外，通过责怪电子偏移和过电位抖擞的产生，不错有用蔓延电板寿命[33]。
天然继承全极耳本领不错显贵普及电板的性能，但其对坐褥工艺要求较高。在涂布阶段，若涂布的精度不够，可能影响极耳整形和焊合的质料。在极耳处理阶段，切边不皆会形成材料层贴合出现舛误，影响电板使用安全，极耳切割整形时可能会产生金属碎片，加多电板短路风险，同期平整度将影响集流盘焊合的良率[34]。在焊合阶段，全极耳激光焊的焊点数目比传统极耳焊点加多了5 倍以上，激光强度和焦距不易顺序，容易焊穿极耳烧到电芯里面或者漏焊，影响电板性能和使用安全。上述问题影响了大圆柱电板的坐褥效率，面前各企业均握住普及坐褥斥地和工艺水平，以期提高量产圆柱电板良品率。
3.1.2 干法电极本领
除了转换性结构假想外，4680电板优化了极片制造工艺，淡薄继承干法电极本领，有助于责怪电板本钱，同期提高能量密度。
传统湿法工艺继承液体溶剂，需资格匀浆、涂布和烘干工序，耗时长且加多了材料和斥地本钱[35]。而干法电极工艺无需溶剂，平直将电极材料与粉状粘结剂聚四氟乙烯夹杂，形成纤维化粉末，将粉末压制成薄膜后热压到极片上，省去了固液两相夹杂以及湿涂层干燥的进程，提高坐褥效率，从简了材料、干燥斥地和回收溶剂的本钱，是一种环境友好的极片制造工艺[36]。在电板性能方面，继承干法工艺不错使电极材料颗粒战役得愈加紧密，增大电极密度和导电性，成心于高能量密度电极的高倍粗略能阐明。郭德超级[37]谋划发现，通过继承干法工艺，电极形成了良好且柔性的纤维网状结构，在资格500次充放电轮回后，极片结构仍保捏平稳，活性物资颗粒之间的裂隙较少。同期，形成的网状结构不祥限制活性物资颗粒体积扩张，增强极片的平稳性，提高电板性能。
干法电极本领具有责怪本钱、普及电板性能的优点，但现在发展尚未熟悉，仍存在本领难点。如4680电板的样件仅在负极继承干法工艺，正极仍继承湿法工艺，这是因为正极材料易发生化学变化，存在粉末零散的抖擞，影响材料性能阐明，因此量产4680 电板的正负极均继承湿法制造工艺[38]。干法电极本领不错有用普及电板性能，更适配于4680、固态电板等高性能电板的制造需求，其仍是面前行业内良善的重心，具有渊博的发展和应用远景。
3.2 大圆柱电芯应用近况
大圆柱电芯因具有高能量密度、高安全、强快充的特色，成为面前电动汽车行业内主流的圆柱电芯产物，搭配三元高镍化学体系适配于各样中高端车型。除了特斯拉外，奔突、良马、蔚来、沃尔沃、江淮等企业也快速布局大圆柱电板，规划异日推出关系车型[39]。2022年良马与多家电板厂商如宁德时间、亿纬锂能达成互助，晓示从2025年起在“新世代”车型中搭载大圆柱电板包。蔚来自研的4680大圆柱电板，野心量产并应用于自己车型和旗下子品牌阿尔卑斯中。在电板坐褥企业方面，外洋的松下、LG 新能源、三星SDI和国内企业比克电板、远景能源、国轩高科等均把柄客户需求积极干预大圆柱电板产物的研发坐褥[39]。比克电板的46 系圆柱电芯继承全极耳假想的同期对化学体系进行优化，单体能量密度可达270 Wh/kg以上，救助9～20 min 快充。远景能源新建圆柱电板专属的零碳电板工场，计划产能30 GWh，为良马供货圆柱电芯。国轩高科于好意思国先进汽车电板大会上展出了专为纯电动车研发的高功率三元46系圆柱电芯，能量密度能达到310 Wh/kg，处于行业最初水平，同期在电芯测试中终结无热扩散，具有优异性能。
基于大圆柱电芯在产物一致性、本钱、安全等方面的上风，国表里多家企业同步开发面向储能领域的大圆柱电芯产物。特斯拉暗示在进行产物升级后4680电板将具有更低的本钱和更高的能量密度，异日有望应用于家用储能电板Powerwall 和大型集装箱储能电板Megapack 等储能产物[40]。亿纬锂能面向家用储能市集，推出了大圆柱磷酸铁锂电板；厦门海辰储能发布了一系列不同容量的大圆柱电芯，可把柄不同应用场景进行个性化定制；鹏辉能源的大圆柱磷酸铁锂电芯继承全极耳和全周期动态平衡本领，具有长命命、宽温程使用、强能源的特色，适用于各样储能场景。
无论在新能源汽车领域照旧在储能领域，大圆柱电芯均不错匹配不同的化学体系，阐明其长命命、低本钱、高安全的产物上风。趋奉终局市集的需求来看，面前多家企业的大圆柱产物进入规模化量产阶段，呈现多元化的竞争态势。
4 终结语
圆柱形锂离子电芯具有一致性好、安全性高的特色，连年来受到多家车企的广泛良善，并应用于多款主流车型。跟着电动汽车对续驶里程、充电速率以及能量密度需求的握住普及，圆柱电芯正朝着大型化标的快速发展。以4680 等大尺寸圆柱电芯为代表的新式产物，通过继承暧昧耳、干法电极等先进本领，圆柱电芯展现出愈加杰出的性能上风，适配于各样中高端车型。
研究异日，通过捏续的结构转换、材料转换和坐褥本领转换，圆柱电板有望在能量密度、安全性、快充性能及本钱顺序等方面终结更大打破，从而答应电动汽车用户对电板性能的各样化需求，为新能源汽车行业发展带来更多可能性。
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发布于：北京市