[电池完全征服](35)方形与软包有何区别？…围绕全固态的形态之争

by Kang Heejong

Published 04 May.2024 08:00(KST)

Updated 10 May.2024 07:23(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离不开电池。[电池完全征服]栏目面向想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和生态体系、企业信息、产业走势与前景。我们将于每周六与各位读者见面。

中国第一大电池企业宁德时代（CATL）于上月28日在中国上海举行的中国国际电池展览会（CIBF）上表示，将于2027年实现全固态电池的小规模量产。

据当地媒体报道，该公司高管Wu Kai表示：“目前多达1000名研发（R&D）人员正在开发全固态电池。”预计宁德时代正在开发的全固态电池可实现500瓦时(Wh)/㎏的能量密度。宁德时代将“价格”列为实现全固态电池大规模量产亟待解决的主要课题。

今年年初，《日经亚洲》曾报道，宁德时代、CALB、中航锂电（EVE Energy）、蜂巢能源（SVOLT）、国轩高科、FinDreams Battery（比亚迪子公司）等中国电池企业，为了在2030年前完成全固态电池的开发和供应链构建，组建了中国全固态电池协同创新平台（CASIP）。

随着中国加入原本由韩国和日本主导的全固态电池市场，市场竞争开始全面升温。三星SDI此前表示，计划于2027年量产能量密度达900Wh/ℓ（450Wh/㎏）的全固态电池。丰田也有望在2027年至2028年实现全固态电池的商业化。（关于全固态电池，参见“电池完全征服”第16期）

随着全固态电池逐渐走向现实，引发关注的焦点之一是：全固态电池究竟将以何种形态规格（form factor，产品外形）问世。在全固态电池商业化在即之际，围绕形态规格的争论也有重启迹象。

迄今为止亮相的全固态电池样品几乎清一色为软包（pouch）形态。但三星SDI在今年3月举行的InterBattery 2024展会上，虽然仅以实物尺寸模型（mock-up）的形式，公开展示了棱柱形（prismatic）全固态电池。

SK On在InterBattery 2024上展示的袋式全固态电池。这是与Solid Power合作生产的试制品。照片=记者姜熙宗供图

三星SDI副社长Ko Juyoung在今年3月由SNE Research主办的2024 NGBS研讨会上谈到全固态电池的形态规格时表示：“我们目前在原型阶段采用软包形态，但正根据客户需求考虑棱柱形”，“（商业化时）是在一开始就采用棱柱形，还是先用软包再改为棱柱形，我们仍在权衡。”

这意味着，目前仅是在样品制作便利的初期阶段采用软包形态，最终目标是以棱柱形生产全固态电池。尤其值得关注的是，他提到客户更偏好棱柱形电池。擅长棱柱形电池的中国企业，也很可能以棱柱形方式推出全固态电池。

Samsung SDI在InterBattery 2024上展出的多种形态电池。最上方可以看到方形全固态电池模型。照片由记者姜熙宗提供

相反，并无棱柱形生产线、仅生产圆柱形和软包形电池的LG能源解决方案，则很可能以软包形态推出全固态电池。LG能源解决方案首席技术官（CTO）Kim Jeyoung在今年3月InterBattery 2024的主题演讲中，用相当多的篇幅介绍了软包电池的优势。

他表示：“全固态电池为降低界面电阻，必须实现均匀加压”，“软包更适合容纳新的化学体系（chemistry，电池化学组成）。”由于全固态电池使用固体电解质，为提高离子电导率，需要保持一定压力状态，从这一点来看，软包电池相较棱柱形更具优势。

Kim CTO称：“圆柱形和软包形这两种形态规格具有互补性，既能支持当前，也能支持未来的化学体系”，表明公司没有棱柱形生产计划。

相比之下，目前仅生产软包电池的SK On，则在追加开发棱柱形和圆柱形电池。原因在于，仅靠软包形态难以满足客户的多样化需求。

棱柱形与软包形：不再卷绕，而是叠片

棱柱形和软包电池，源于对克服圆柱形电池缺点的思考。圆柱形电池工艺简单、生产效率高，但在模组化时不可避免会产生空隙（dead space），从而降低单位体积能量密度。相反，如果将电池做得更扁平，就能提升空间利用率，在同一空间内装入更多电池，从而提高能量密度。

在初期，棱柱形和软包电池与圆柱形电池中的“果冻卷”（jelly roll）类似，都是将正极、负极和隔膜卷绕成扁平形态（平绕，flat winding）后装入壳体。卷绕方式的优点是制造工艺简单、生产速度快，但同样不可避免会在壳体内部产生一定空隙。

若要提高电池的空间利用率，最理想的方式是将正极、隔膜、负极制成单片后逐层叠放，但问题在于生产效率会下降。逐片叠加正极-负极-隔膜的叠片工艺并不适合大规模量产。

不过，近年来在保持生产效率的同时，能够依次叠放电极和隔膜的叠片工艺陆续开发出来，在制造棱柱形和软包电芯时被广泛采用。实际上，三星SDI在生产棱柱形电池时，原本使用平绕工艺，从第五代（Gen5）开始改为叠片方式。

各家企业的叠片工艺略有差异。SK On（软包）和三星SDI（棱柱形）采用以隔膜为中心，将正负极呈“之”字形交错叠放的方式。SK On称之为Z折叠（Z-folding），三星SDI则命名为Z叠片（Z-stacking）。

LG能源解决方案一直采用其自有专利技术——层压与叠片（Lamination & Stacking，L&S）工艺生产软包电芯，近期也开始导入Z叠片方式。LG能源解决方案将其称为先进Z叠片（Advanced Z-Stacking，AZS）。

Z折叠工艺由SK On自2019年起首次在韩国国内正式大规模应用。三星SDI也自2021年生产第五代棱柱形电池时开始采用Z叠片方式。

Z折叠或Z叠片工艺，是先将正极和负极分别裁切成单片，再以隔膜呈“之”字形叠放，同时在其间交替插入正极和负极。为应用该技术，必须在前道的切口（notching）工序中，先将正负极裁切成型，然后进行正极耳与负极耳的焊接作业。

Z折叠方式的堆叠工法。图片来源=SK On

Z折叠（Z叠片）方式中，隔膜以“之”字形完全包覆在正负极之间，使正负极彻底分离。因此，可降低在棱角部位正负极直接接触的可能性，从而提高防火安全性。同时，与传统卷绕方式相比，壳体空间利用率得到改善，进而提升能量密度。但据悉，其生产速度低于卷绕工艺。

LG能源解决方案的层压与叠片方式，从制作将电极与隔膜结合在一起的“双电芯”（bi cell）开始。所谓双电芯，是将多片电极与隔膜组合而成的一种电池半成品，具有正极-隔膜-负极-隔膜-正极，或负极-隔膜-正极-隔膜-负极等两端为同一极性的层叠结构。

图片由LG Energy Solution提供

随后，对双电芯进行由隔膜和负极构成的半电芯（half cell）的贴合与对位层压作业。最后，以隔膜为基准，依次叠放负极和正极，便可完成电芯材料。

LG能源解决方案的层压与叠片工艺。图片由LG能源解决方案提供

层压与叠片方式的优点在于生产效率高，且能有效提升电池内部空间利用率。但在层压过程中，隔膜与电极可能发生错位，导致工艺难度较高、管理较为复杂。据悉，LG能源解决方案还并行采用在层压基础上叠加Z叠片技术的AZS方式。LG能源解决方案在其与现代汽车于2022年在印尼设立的合资公司中首次应用AZS工艺。

金属罐还是软包壳

棱柱形和软包电池在正负极制备等电极工序上与圆柱形电池差异不大，主要从组装工序开始出现不同。（关于圆柱形电池制造工艺，参见第34期）

原则上，将卷绕或叠片完成的电芯材料装入方形金属壳体，即为棱柱形电池；装入薄膜软包壳体，则为软包电池。采用何种封装形式，取决于客户需求以及各企业的战略选择。

棱柱形电池是在电芯材料上焊接极耳后，再与盖板（顶盖）连接，装入由铝或钢制成的金属壳体。随后通过盖板上的小孔注入电解液并封口完成制造。棱柱形电池的化成工序与圆柱形电池类似。

方形电池的结构。图片来源 Grepow提供

与圆柱形电池一样，棱柱形电池也可以安装用于排气的安全阀（vent）等安全装置，以防止热失控的蔓延。同时，由于采用坚固的金属外壳，其耐久性和可靠性较高。但其缺点是重量较大，且不易制成多种形状。

三星SDI和SK On还推出了将正负极端子设置在外壳两侧而非顶部的双向棱柱形电池（Side-Terminal Battery）。双向棱柱形电池的优点在于可从上下两面进行冷却，并可在电池包内部将电芯分两层堆叠。

SK On在InterBattery 2024上展示的双向方形电池。照片由记者姜熙宗提供

软包电池的壳体是由铝箔、尼龙、聚丙烯等材料构成的薄膜。软包壳体分为装入电芯材料的电极腔，以及用于注入电解液和存放气体的气体腔。在将电芯材料装入电极腔后注入电解液并封口。随后在化成工序中进行充放电，产生的气体会聚集在气体腔中。切除这一气体腔的过程被称为排气（degassing）。

软包电池的排气工序。图片来源=LG能源解决方案

由于软包电池质量较轻，可提高单位质量能量密度，并且易于制成多种形状，这是其优势。但由于壳体不够坚固，在制作模组或电池包时需要配套补强技术。

在 InterBattery 2024 上展出的 LG能源解决方案曲面软包电池及其应用产品。照片由记者姜熙宗提供

圆柱形、棱柱形和软包形电池各有优劣，难以简单断言哪一种形态绝对更优。圆柱形电池制造工艺简单，有利于抑制热蔓延，但空间利用率较低；棱柱形电池空间利用率高、便于层叠，但较重且不易制成多种形状；软包电池轻便、易于多样化设计，但在抗冲击和抑制热蔓延方面相对不利。

电池制造商正针对各类形态规格开发补强技术，以最大化其优势并弥补短板。同时，它们并不固守单一电池形态，而是同时推出2至3种产品形态，以灵活响应客户需求。

以棱柱形电池为例，企业正在导入省略模组化环节的“电芯直连电池包”（Cell To Pack，CTP）技术，或将电芯直接安装在车身底盘上的“电芯直连车身”（Cell To Chassis，CTC）技术。电动车用电池在经过模组和电池包阶段时，会叠加多种部件，导致体积和重量增加、能量密度下降。若简化这些环节，就能装入更多电池，从而提高能量密度并延长续航里程。