卷绕结构动力电池即将被淘汰？动力电池企业力推叠片结构

据统计，2019年1到5月份新能源汽车总产量47万辆，比去年同期增长48.7%，持续增长的新能源汽车消费市场也对动力电池产生了巨大的需求，目前市面上常见的动力电池类型主要有三类：1）方形电池；2）小容量圆柱形电池；3）软包电池，其中大容量的方形电池凭借着更高的空间利用效率，以及更高的成组效率，已经成为目前主流的动力电池类型，在新能源乘用车和新能源客车领域得到了广泛的应用。

目前方形锂离子电池的生产工艺仍然脱胎于上个世纪90年代开发的卷绕工艺，这种工艺的好处是工艺相对比较简单，同时生产效率较高，因此在方形电池研发的初期得到了较多的应用，但是这种卷绕结构的方形锂离子电池存在一系列的问题。

1.电芯易变形

由于卷绕式结构的特点，电芯两侧边缘位置的电极存在较大的曲率，因此在充放电的过程中由于正极、负极产生的体积变化会导致在电芯边缘处产生应力集中，进而导致电芯发生变形和扭曲【1】，引起锂离子电池性能下降，甚至产生安全问题。

2.电流分布不均、极化大

电芯边缘处较大的曲率不仅会造成宏观上正负极极片受到应力产生形变，还会在微观层面对活性物质的嵌锂产生影响，研究表明在电芯边缘弯曲处的内侧，越靠近电极曲率较大的位置，电极中可供Li+嵌入的边界越小，因此也就导致此处电极中的Li浓度越低，而在电芯弯曲处的电极外侧由于受到拉应力，因此可供Li+嵌入的面积因此相对较大，因此弯曲处电极外侧Li浓度相对较高【2】。

由于卷绕电芯这种结构特点，会导致电芯在放电的过程中电流分布不均、电压极化较大，导致放电电压平台低【3】，因此即便是采用相同材料体系和相同容量设计卷绕式方形锂离子电池在能量密度和倍率性能上也要低于叠片结构的方形电池。

3.空间利用效率较低

卷绕式方形电芯的边缘弯曲处呈现的为半圆形状，当装入到方形电池壳中时，会在电池壳的四个角的位置留下无法填充的剩余空间，这就造成了卷绕式方形电芯的空间利用率较低，影响电池能量密度的提升。

卷绕式方形电池存在的这些问题主要是由于工艺与产品不匹配造成的，在方形结构电池上强行采用圆柱电池的卷绕工艺，因此产生了大量的难以克服的问题。

动力电池即将进入叠时代

叠片工艺是一种针对方形电池开发的工艺，该工艺首先将极片冲切成一定形状，然后采用叠片的形式组合成为方形锂离子电池，因此彻底解决了卷绕结构电芯存在的一系列问题。

首先，叠片结构解决了边缘弯曲导致的电芯在充放电过程会发生变形的问题，从而提升了结构稳定性和安全性。

其次，由于叠片结构不存在边缘弯曲的问题，因此在充放电过程中应力在电极内部的分布是均匀的，因此叠片式结构的电芯内电流的分布也更加均匀，有利于提升电芯的倍率性能，减小极化，提升电芯的能量密度。

最后，由于叠片式电芯的特点，因此其形状和结构更加灵活，不但能够解决卷绕式结构中壳体边角空间浪费的问题，提升电池的能量密度，还能够用于生产形状复杂的特殊化产品，具有非常好的适应性。

相关研究显示叠片工艺可以使锂离子电池的能量密度提升5%，循环寿命提升10%，成本降低5%，鉴于叠片电池相比于卷绕式电池的优势，目前主流的动力电池厂家，例如三星、CATL等厂家等都计划将现有的卷绕式方形电池生产工艺，逐步转换为叠片式生产工艺。但是相比于成熟的卷绕工艺，目前叠片工艺还面临诸多掣肘因素，首当其冲的就是生产效率问题，目前主流的叠片机叠片效率仅为1-1.2秒/片，对于动辄包含上百片正负极的大容量方形电池而言，现有的叠片工艺效率远远低于传统的卷绕式工艺，对于时间就是生命的动力电池企业而言，这是一道难以逾越的鸿沟，其次是叠片式生产工艺的设备自动化水平仍然相对较低，不利于生产效率和产品一致性的提高。