鉅大LARGE | 點擊量：2260次 | 2021年04月26日
軟包、方形、圓柱電池封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)特性解析
眾所周知，動力鋰電池是電動汽車的核心技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池以及鎳氫電池，鋰離子電池因為其比能量高，比功率大，易實現(xiàn)快速充電和深度放電，壽命長等優(yōu)點，是目前動力鋰電池的重要發(fā)展方向。
其實，鋰離子電池的這些性能與其封裝形式息息相關(guān)，我們就來詳解鋰離子電池的封裝形式，看看不同技術(shù)路線的優(yōu)缺點。
有人比較較成功的17款電動汽車做了統(tǒng)計，結(jié)果表明8款采用了方形卷繞式，7款采用了方形層疊式，2款采用了圓柱卷繞式。
三足鼎立
鋰離子電池根據(jù)電芯的不同外殼，分為硬殼和軟包兩大類。硬殼的材料重要有鋼殼和鋁殼兩類，而軟包采用的是鋁塑復(fù)合膜材料。其中，硬殼根據(jù)其內(nèi)部正負(fù)極片的排列方式又分為圓柱形和方形。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由此，我們可以得到目前圓柱卷繞式、方形層疊式和方形卷繞式是動力鋰電池的三種重要構(gòu)型。三種制造工藝對應(yīng)著鋰離子電池三種構(gòu)型，圓柱卷繞式對應(yīng)圓柱狀電池，方形層疊式對應(yīng)軟包，方形卷繞式對應(yīng)方形。
實物圖比較
圓柱卷繞式=圓柱鋰離子電池
圓柱卷繞式是一種很古典的電池構(gòu)型，在鎳氫、3C鋰離子電池上得到了長期的應(yīng)用，業(yè)界也積累了大量的生產(chǎn)設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗。圓柱卷繞式的優(yōu)點包括生產(chǎn)效率高、一致性好等，缺點包括圓柱外形導(dǎo)致的空間利用率低、徑向?qū)岵顚?dǎo)致的溫度分布問題等。由于圓柱電池的徑向?qū)嵝阅懿患?，電池的卷繞圈數(shù)不能太多（18650電池的卷繞圈數(shù)一般在20圈左右），因此單體容量較小，應(yīng)用在電動汽車上時要大量單體組成電池模組和電池包，連接損耗和管理復(fù)雜度都大大新增。
圓柱卷繞式電池的外形看上去雖然簡單，但是內(nèi)在設(shè)計并不簡單。好的電池設(shè)計是涉及電化學(xué)、熱、電、機(jī)械等諸多領(lǐng)域的復(fù)雜問題，對電池設(shè)計人員提出了很高的要求。舉兩個小例子。
例一：下圖是某款18650電池的內(nèi)部尺寸（單位:mm），正、負(fù)極展開后的長度相加有近1.5米，但用于引流的極耳寬度只有4mm。電池設(shè)計人員要慎重地選擇極耳（位置、個數(shù)等）、電極涂層的諸多參數(shù)，以期降低極板上的電流分布不均勻，同時降低電池內(nèi)部的溫度分布不均勻。
例二：圓柱卷繞式電池在使用過程中的一種老化失效形式是卷繞極片發(fā)生翹曲，翹曲發(fā)生的來源可能是電極各層在循環(huán)中的體積變化步調(diào)不一致。下圖是用CT拍攝的三款18650電池在存儲、低倍率循環(huán)、高倍率循環(huán)后的電極形態(tài)，可以明顯看到高倍率下的翹曲現(xiàn)象。
為了解決這個問題，一個簡單的辦法是在卷繞中心處加一個銷軸，抑制卷芯的形變，如下圖所示。
但是，銷軸的引入會新增成本、重量等（電動汽車用到的電池節(jié)數(shù)是數(shù)以千計），并不一定是最佳選擇。
方形層疊式=軟包鋰離子電池
與卷繞式是由單片的正、負(fù)極片卷繞成形不同，層疊式電池是由多層極片層疊而成的。方形層疊式的優(yōu)點包括：
1)、厚度薄（受限于鋁塑膜的沖壓強(qiáng)度，一般不會超過1cm），因此散熱性能很好；
2)、極片多，每片極片均有凸緣與極耳焊接在一起，極板上的電流密度分布均勻性好；
3）、薄片式，易于組成模塊和電池包，空間利用效率高；
4）、鋁塑膜包裝的重量輕，且抽真空后與電芯貼合緊密，有利于減少無效的重量和體積。
但是，這一構(gòu)型的缺點包括：
1)鋁塑膜封裝的長期可靠性較難保證，如下圖所示：
2)電池體較軟，極片間的接觸阻抗可能會較大，需在模塊層次或電池組層次加以解決；
3)相比卷繞式電池，生產(chǎn)制作效率較低。
方形卷繞式=方形鋰離子電池
方形卷繞式結(jié)合了方形層疊式的外觀特點（但往往厚度更大）和圓柱卷繞式的極板制作方法，具有空間利用率高、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。但是，這一型電池的設(shè)計也是最為復(fù)雜的，要考慮的設(shè)計變量非常多，還要考慮殼體與電芯間的配合問題。
但由于方形鋰離子電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一。方形電池在普通的電子產(chǎn)品上使用沒有問題，但關(guān)于要多只串、并聯(lián)的工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品，最好使用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的圓柱形鋰離子電池，這樣生產(chǎn)工藝有保證，以后也更容易找到可替換的電池。
技術(shù)特性比較分析
簡單總結(jié)：
1)圓柱形電池，因為其工藝成熟，再加上受到特斯拉青睞，一直備受關(guān)注；
2)方形電池，因為其安全性好，也是主流的技術(shù)路線之一；
3)軟包電池的發(fā)展，得益于消費類電子往體積小，輕薄化發(fā)展的趨勢。
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