[电池完全征服](34)圆柱形电池是如何制造的… feat.4680

by Kang Heejong

Published 27 Apr.2024 08:00(KST)

Updated 29 Apr.2024 08:25(KST)

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编者按当下是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有领域都在使用电池。[电池完全征服]栏目面向想要了解电池的一般读者、学生以及关注电池产业和相关企业的投资者，旨在以通俗易懂的方式介绍电池基础知识与生态体系、企业信息、产业走势与前景。每周六与各位读者见面。

日本松下公司于上月末表示，已与日本马自达汽车签署圆柱形电池供应合同。双方自去年6月起就供应事宜进行协商，直至近期才达成协议。在此之前，松下还与日本斯巴鲁汽车签订了同类合同。

松下、马自达和斯巴鲁均未公开具体合同内容，但业内认为，松下将向两家车企供应4680圆柱形电池。若如此，搭载4680电池的电动汽车将首次在日本出现。

松下曾表示，4680电池芯量产预计时间为2025财年（2024年4月1日~2025年3月31日）上半年。也就是说，最迟今年9月就能实现4680电池量产。若一切按计划推进，松下推出4680电池的时间将与LG能源解决方案宣布的8月大致相近。

韩国本土电池设备企业Philenergy在本月23日的企业说明会上表示，正在开发“圆柱形4600卷绕机（卷绕设备）”，并已面向欧洲3家企业、美国1家企业、韩国4家企业等全球电池企业完成演示后，开始进行技术营销。

一度似乎要被方形、软包电池挤压的圆柱形电池，随着所谓“46径”电池（统称直径为46毫米的圆柱形电池）的出现，再次受到市场高度关注。整车企业正在重新增加电动汽车中圆柱形电池的搭载比例。

根据市场调研机构SNE Research的数据，全球电动汽车市场中圆柱形电池的占有率从2019年的28%、2020年的23%、2021年的16%、2022年的12%一路下降，但在2023年又回升至13%。

如果46径电池进入全面量产阶段，这一比例有望进一步提升。LG能源解决方案、Samsung SDI、SK On、松下、宁德时代（CATL）、比亚迪（BYD）等头部电池芯企业都制定了46径电池的生产计划。＜关于4680电池请参考“电池完全征服”第20期＞

46径圆柱形电池在外观上与传统的1865、2170等圆柱形电池差别不大，制造工艺也相似。但由于应用了创新技术，制造过程更加复杂，量产时间也相应推迟。下面通过与4680电池的对比来了解圆柱形电池的制造工艺。

像在面包上抹草莓酱一样……电极制作

将圆柱形锂离子电池拆解后可以看到，在圆形金属壳体内，多层薄片像卷筒卫生纸一样被卷成一卷。卷成圆筒状的薄片由正极片—隔膜—负极片相互叠放构成，这一结构被称为“果冻卷”（jelly roll），因为其外形与果冻卷蛋糕十分相似而得名。

圆柱形电池的结构。三星SDI供图

二次电池的圆柱形电池，首先需要制作好这一果冻卷并装入金属壳体，然后注入电解液并进行密封，以此方式完成制造。

电池行业通常将电池的制造工艺划分为电极工艺→组装工艺→化成工艺→电池包工艺四个阶段。根据圆柱形、方形、软包等不同形态，细分工序会有所不同，但基本流程相同。

电极工艺是制造电池正极和负极的过程，也称为极片工艺。电极对电池性能影响最大，成本占比也最高。电极工艺又分为混合、涂布、辊压（压延）、分切/冲切工序。

混合（mixing）是将正极和负极活性物质与溶剂混合，制备浆料（Slurry）的过程。浆料是一种类似面粉糊状的黏稠物质。在此过程中，还会加入提高活性物质颗粒间粘结力的粘结剂，以及帮助电子传导的导电剂。＜关于导电剂和粘结剂请分别参考第27期和第29期＞

混合工艺。图片来源=TSI

涂布工序是指将制备好的正极、负极浆料分别均匀涂覆在铝箔和铜箔集流体上的过程，类似在面包上抹果酱。此时保持浆料涂层厚度均匀、稳定至关重要。将浆料自动涂覆到集流体上的设备称为狭缝模头涂布机（slot die coater）。＜关于集流体请参考第24期、第26期＞

电池电极涂布设备。图片由PNT提供

涂布结束后的电极会被送入紧接着的干燥机，通过热风等方式去除溶剂。特斯拉原计划在4680电池中采用不使用溶剂的干式工艺来替代这种湿法工艺，但目前被认为仅在负极上采用了干式工艺。＜关于干式电极请参考第30期＞

干燥后的电极会通过两辊之间，使其变得更薄、更平整，这一过程称为辊压（roll pressing）。通过辊压工序，电极整体厚度变薄，集流体与正极活性物质的结合更紧密，从而提高电池的能量密度。

完成辊压后的正极和负极将进入按电池规格进行裁切的分切（Slitting）工序。在这一过程中，通过称为分切机（Slitter）的设备，根据电池芯尺寸切割电极宽度。

电极结构。LG能源解决方案供图

裁切好的电极会进入冲切（notching）工序。冲切工序是指在电极无涂布区（活性物质未涂覆的空白区域）中，仅保留用于焊接引出极耳（lead tab，用于将正极和负极与外部电路电连接的端子）的部分，其余部分则被切除。

过去，冲切工序多采用带有锋利刀刃的冲压设备进行冲压切割，而近年来为实现更精细的切割，正逐步转向采用激光设备。

在传统1865、2170圆柱形电池与4680电池的工艺中，差异最大的一环之一就是冲切工序。因为在特斯拉的4680电池中采用了取消极耳的无极耳（Tabless）设计进行生产。其他46径电池也被认为采用了无极耳设计。

现有圆柱形电池与4680电池的无极耳结构

从特斯拉公开的设计来看，与其说是完全没有极耳的无极耳，不如说更接近多极耳（multi tab）设计。不是像以往那样焊接单个引出极耳，而是将电池端部加工成多个极耳形态。采用这种方式有利于分散电流和热量。

在传统圆柱形电池中，电流集中在一个正极耳和一个负极耳上，因而在热管理方面存在先天短板，而这一设计正是对其改进。采用无极耳设计的4680电池需要更加精密的激光冲切设备。

图片由Phil Energy提供

冲切工序完成后，制造电池正极和负极的电极工艺即告结束。制成的正极和负极以卷材（roll）形式被输送至组装产线。

卷成一卷装进金属壳……组装工艺

组装工艺是将正极、负极和隔膜组合在一起的过程，通过这一环节形成电池的外形结构。根据圆柱形、方形、软包等不同电池形态，组装工艺差异最大。

在圆柱形电池中，会使用称为卷绕机（winder，卷绕设备）的装置。该设备分别装载正极卷、负极卷以及两卷隔膜，然后像卷筒卫生纸那样将其卷绕成卷并切割成合适长度。这样完成后的结构因与果冻卷蛋糕十分相似，故被称为果冻卷（jelly roll）。

圆柱形电池绕卷工艺示意图。图片来源=LG能源解决方案

用于4680电池的卷绕机也需要不同于以往圆柱形电池的设备。由于直径增大到46毫米，比以往更粗，因此必须在不发生偏斜的前提下实现更加精确的卷绕。

之后，会在正极和负极的无涂布区分别焊接铝和铜制成的极耳，完成极耳焊接（tab welding）工序。早期多采用超声波焊接，近年来则改为激光焊接。

圆柱形电池组装工艺。图片来源=Center for Advanced Life Cycle Engineering(CALCE) ,University of Maryland

焊接好极耳的果冻卷会被装入金属壳体，此时将负极极耳焊接在壳体底部，将正极极耳焊接在盖帽（壳体上盖）上。随后对壳体进行抽真空并注入电解液，最后通过卷封（crimping）工艺将壳体完全密封。

特斯拉4680圆柱形电池拆解示意图。图片来源=Journal of The Electrochemical Society, 2023

在特斯拉的4680电池中，由于不存在传统意义上的引出极耳，因此省略了极耳焊接工序。取而代之的是，在正极和负极上分别叠加铝和铜制的圆盘（disk）并进行焊接。

圆柱形电池内部安全装置。图片由江原道消防本部提供

为增强电池安全性，内部还会配备多种安全装置。拆解各厂商的圆柱形电池时，可以看到正温度系数器件（PTC，Positive Temperature Coefficient）、电流中断装置（CID，Current Interrupt Device）、泄压阀（Vent）等装置。

PTC在发生过电流导致电阻升高时，会降低电流量；CID在电池内部产生气体致使压力升高时，会切断电流；即便如此压力仍持续上升时，泄压阀会开启，将气体排放至外部，以防止爆炸。

电池也要“熟成”……化成工艺

完成电极和组装工艺的电池尚未具备电学特性，还不能真正发挥电池功能。为电池注入“最后一口气”、赋予其生命的就是化成工艺。

化成工艺的第一阶段是活化（formation）。在活化阶段，会在规定的温度和湿度条件下，将电池静置一段时间进行老化（aging），并反复进行充放电。通过这一过程，使电解液充分浸润正负极，同时在结构上稳定电池。

用于化成工艺的设备。图片来源=APRO提供

在活化阶段，负极表面会形成一层薄薄的固体膜——固态电解质界面膜（SEI，Solid Electrolyte Interphase）。SEI对电池性能和寿命影响巨大。在软包电池中，还会增加在老化过程中去除产生气体的排气（degassing）工序。

锂离子电池的制造过程。软包电池在化成工序后还需增加去除气体的脱气工序。图片来源 iScience Perspective

在化成工艺中，会通过测量内阻、电压、容量等指标来筛除不良电池。同时还会对内部电阻（IR，Internal Resistance）和开路电压（OCV，Open Circuit Voltage）等进行检测，以评估电池质量。内部电阻越小越好；在OCV检测中，则要确认电池内部是否存在微小短路。

化成工艺的具体流程顺序可能因制造企业而有所不同。

给电池“打包”……电池包工艺

虽然也可以将已具备完整“生命力”的电池直接销售，但电池企业通常还会进一步根据具体应用场景（Application）进行封装，完成电池包工艺。电池包工艺是将制成的单体电芯模块化并装入电池包的过程，通过这一环节提升电池的商品属性和附加价值。

电池包工艺分为连接多个电芯的“电芯到电芯”（cell to cell）工序，以及将电芯装配成模块的“模块到模块”（module to module）工序。

电芯到电芯是指利用线束（wiring harness）或汇流排（Bus bar）将多个电芯连接起来。将这样连接好的电芯模块化，并再次将这些模块相互连接的过程，就是模块到模块。

此时，不仅电芯和模块会被连接，电池管理系统（BMS，Battery Management System）也会一并接入。电池管理系统负责实时监控电池的容量、电压、温度等参数，并维持其性能和安全性。近年来，为防止电动汽车起火，人们还在电池包和模块中引入多种可阻断热蔓延的材料和装置。即便单体电芯发生气体泄漏或爆炸，也要防止事故波及相邻电芯。

与2170等传统圆柱形电池相比，4680电池在相同体积内搭载的电芯数量更少，因此在电池包工艺上具有简化流程的优势。例如，在Model Y车型中，若采用2170电池需要装配4400颗电芯，而采用4680电池只需装配830颗即可。这样可以大幅减少电池包工艺所需的焊接次数和零部件数量。

<参考文献>

InsideEvs. Mazda And Panasonic Finally Strike Deal On Cylindrical EV Battery Supply. 2024.3.29
Journal of The Electrochemical Society, Lithium-Ion Cells in Automotive Applications: Tesla 4680 Cylindrical Cell Teardown and Characterization, 2923.12.29
University of Maryland, Safety Analysis of Lithium-Ion Cylindrical Batteries Using Design and Process Failure Mode and Effect Analysis, 2024.2.23
江原道消防本部，《关于锂离子电池爆炸及起火机理的研究》，2020.2.19
LG能源解决方案，《Battery Inside》
Samsung SDI 博客
Eugene Investment & Securities，《关注电动汽车电池圆柱形电池市场》，2022.1.30
Kiwoom Securities Research Center，《投资周期全面启动：是时候关注设备》，2023.9.13

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。