动力电池之电芯创新制造技术概述

赵宇龙

摘要：近年来，我国动力电池在极片生产、电芯生产技术及装备方面取得了较大进步，基本掌握了动力电池装备核心技术，单机自动化方面取得较大进展，缩小了与国外先进技术的差距。

关键词：动力电池；电芯；生产技术；装备

近年来，我国在动力电池生产技术及装备方面取得了较大进步。在制浆容量、均匀性、涂布、辊压的宽度和涂布、辊压速度方面甚至超过了国外主流设备企业，在卷绕变形控制、无偏差组装、激光模切及激光焊接等单项技术方面具备了国际领先水平。

目前国内电池种类约60种，单线产能已突破4GW·h，Cpk达到1.33～1.67，材料利用率和产品直通率可达到95%。在电池工艺装备中，匀浆单机产能达到5GW·h，涂布速度达到120m/min，卷绕线速度达到3m/s，叠片速度达到600PPM（pages per minute），干电极工艺及装备已研制样机。数据字典、数据平台已建立，单机设备边缘闭环。

电芯制造可分为前段、中段和后段。前段为极片制造环节，主要设备包括搅拌机、涂布机、辊压机、分切机和极耳成型机等，其中涂布机为最核心的设备。前段设备成本也最高，占比达39%。中段为电芯装配环节，主要设备包括卷绕机/叠片机、极耳焊接设备和注入电解液等设备，其中卷绕机/叠片机为最核心的设备。中段设备成本占比为31%。后段为电化学环节，主要包括化成、分容、检测设备等。后段设备成本占比为30%。电芯制造厂家见表1。

电芯制造创新技术

动力电池制造技术创新包括：一是制造装备高速化、集成化和数字化，二是因电池结构变化或者实行新工艺而引起的技术创新。这里仅介绍电芯制造创新技术。

电芯结构变化包括4680大圆柱电池和刀片电池，从而促使制造技术创新。新型工艺装备创新主要面对材料技术、电池技术升级开发新型装备，如干法制片制备设备、预锂化设备、多层极片复合设备、极片隔膜复合设备以及极片及电芯3D打印成型设备等。

1. 4680电芯创新制造技术

（1）材料创新方面 4680电芯采用无钴高镍三元正极材料和硅基负极材料。正极材料镍金属相比钴金属兼具比容量和成本优势；硅是目前已知比容量最高的锂离子电池负极材料，最高锂含量的合金相Li22Si5理论比容量高达4200 mAh/g，是石墨负极10倍左右。采用硅基负极材料的锂电池质量能量密度可以提升8%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%。

量产瓶颈：硅基负极材料充放电时体积剧烈变化。硅锂合金的生成与分解伴随着巨大的体积变化，最大膨胀率可达320%。相比之下，传统的石墨负极工作时，锂嵌入石墨六边形结构层间的空隙，体积变化只有16%。这将破坏电池结构，导致电池容量损失，性能下降。

解决方案：对于单质硅负极膨胀带来的问题，可采用硅复合材料应对，当前具备商业化前景的有硅碳负极和硅氧负极。硅碳负极是指纳米硅与碳材料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与碳材料复合。硅氧负极动力领域进展较快。氧化亚硅在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善，更适合应用于动力电池领域，目前各大负极材料厂商对氧化亚硅负极均有所布局。

硅基材料应用于新一代负极已经形成共识，硅基负极应用车企已明显提速。除特斯拉以外，包括蔚来、智己和广汽埃安在电池技术上均涉及硅负极。在宁德时代、国轩高科及星恒电源等电池厂商高比容量电池方案中，硅碳负极被明确列为发展方向。目前，国内真正实现硅基负极量产及批量供货的企业有杉杉股份、贝特瑞，璞泰来、石大胜华、翔丰华和硅宝科技等公司。

（2）结构创新方面 如图2所示，4680电芯采用大圆柱外壳和无极耳结构。4680电芯是在21700电芯的基础上直径和高度同时做了扩展，直径增加一倍多至46mm，高度增加至80mm。

传统的圆柱体电池正负极铜箔、铝箔隔膜叠加起来卷绕，为了引出电极会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个导引线叫极耳。全极耳则是负极的铜箱或正极的铝箱模切后，与集流盘或者壳体直接焊接起来。相比这种单极耳，使用全极耳的电池内阻直接降低一个数量级。但在制造技术方面则增加了极耳模切、揉平、全极耳与集流盘激光焊接工艺等，增加了制造难度。

量产瓶颈：4680电芯的极耳在模切、揉平和激光焊接等工艺环节存在大规模量产的难点。

1）极耳模切。全极耳电芯在极片涂布时，会在集流体一侧预留空箔区，经过辊压和分切后，将集流体边缘的空箔区切割成多个极耳，再进行卷绕（最内测和最外侧无极耳，见图4）。激光切割极耳时的难点包括：极片在切割时易抖动；切割后废料不能有效排出；模切长度和次数远高于常规极耳。

2）极耳揉平。在 4680 电芯制造工艺中，需要对电池卷芯的全极耳进行揉平，待电池卷芯的断面平整后再与集流体焊接。揉平过程中难点包括：揉平速度过快时，极片外翻；揉平速度过慢时，生产效率低；揉平时产生金属屑较多，导致内部短路；摩擦产生大量粉尘；产生极耳褶皱。

3）极耳焊接。4680大圆柱电芯存在多个极耳，正负极整体与集流盘焊接，集流盘上细丝焊缝数量较多，焊点数量大幅增加（4680 焊接点位较21700增加了5倍），并且一般需要使用连续激光焊接设备。激光焊接过程难点包括：激光连续焊接可能造成虚焊和穿焊；焊接时热堆积；全极耳形态不受控。

解决方案如下：

1）极耳模切。如图4所示，可将正负极全极耳模切成多个平行四边形的极耳单体，这样不仅能够在揉平过程中杜绝极片外翻，在与电池外壳组装时，不易刮伤电池外壳的内壁，且能够减少金属屑的产生，避免短路。同时，这种平行四边形结构能够有效减少揉平时的辊压力，从而避免活性材料的脱落，大大提高良品率。特斯拉4680生产线采用海目星激光模切设备，可进行极耳飞行激光切割，随速变频变功控制，减少毛刺、热影响和漏金属等质量问题。

2）极耳揉平。国内部分专利采用机械揉平方案，通过揉平机的揉平头直接接触在全极耳上，再随着揉平头的自转靠近全极耳后，碾转带动全极耳揉平在卷绕电芯的端部。在这种揉平方法中，由于揉平头直接与全极耳接触摩擦，往往会将柔软的全极耳部分揉碎，揉碎的碎末颗粒就会进入圆柱型锂电池的正极端或负极端之间而产生短路。因此，新型全极耳揉平机的开发有望得到市场重视。

逸飞激光采用公转与自转相结合的行星式揉平整形技术，变滑动摩擦为滚动摩擦，摩擦阻力降低40～60倍。可以根据正负极集流体厚度、卷芯直径及进阶量设计等，对行星式揉平头的直径、锥角与倒角阶梯等进行最优化设计，并结合无损整形数控系统，在正负极集流体许用应力范围值内，实现全极耳高速、无损成型，效率≥50PPM，精度达±0.05mm，严格控制了因摩擦导致集流体受损、破裂产生的粉尘与颗粒。

特斯拉全极耳采用吹气方案，电芯内部和外部均无极耳，中部有极耳，吹气嘴吹平极耳并随着电芯直径的增长往外移动（见图5）。

3）极耳焊接。联赢激光开发了多层极耳焊接工艺，替代超声波极耳焊接，减少铝极耳的断层比例。逸飞激光突破高反材料厚薄叠接自适应精密激光焊接技术，实现了铝和铜等高反材料厚薄叠接精密焊接，并将2mm热影响区内温升控制在80℃以内（低于隔膜热影响温度），避免造成隔膜灼伤或热影响。通过激光焊接实现集流体与集流盘、正负极（盖板）全面积本材连接，是圆柱全极耳电池规模化生产与应用的核心技术。

4680全极耳创新技术引起了工艺和装备的革新，锂电装备企业也纷纷投入研发新设备，见表2。和其他圆柱电池制造工艺相比，4680虽然在涂布、辊压、注液方面也有区别，但最主要的还是全极耳的制造效率和产品直通率，这是影响4680电池能否量产的关键。建议锂电装备企业和圆柱电池生产企业联合开发新工艺新设备应对结构工艺创新带来的改变。

（3）工艺创新方面 除了因结构创新而引起的工艺创新以外，特斯拉4680电池还引入了干电极工艺。锂离子电池的极片加工工艺按照是否使用溶剂，可分为湿法工艺和干法工艺，需要大量溶剂制备浆料通过涂布制备极片为湿法电极。相对应的，不使用任何溶剂或者仅添加少量助剂，通过粘结剂纤维化，并通过辊压机辊压制备极片膜再热压复合得到的是干法电极片。干法制备极片工艺不需要复杂的涂布设备，仅仅通过连续的加热辊压即可制备电池极片。该技术由于无需溶剂和干燥过程，能耗低，占地小，生产效率高，同时可以增加能量密度，是一种较为先进的工艺（见图6）。

图6 Maxwell 干电极法涂布工艺示意

量产瓶颈：正极干电极成膜的连续稳定性差，厚度一致性不易控制，生产速度低。通过拆解第一代特斯拉4680电池发现，正极未使用干电极技术，负极使用了干电极技术。

正极材料在纤维化完成后，由于材料呈黏性絮状性而且相互交联态，而材料本身自润滑性差，在连续传输过程中，极易出现偏析、架桥、结团等现象，自支撑膜制作难度极高。而负极采用干电极技术是因为负极主要为石墨类，材料本身带润滑作用，在粉体传输和辊压过程中流动性极好，自支撑膜制作难度较低。

从特斯拉的视频可以看到其采用卧式对压辊，在两辊之间添加纤维化粉体，两辊驱动带动材料至压辊之间进行压制。由于材料堆积在两辊之间，无法精确控制计量传输，膜片出现厚度不均匀、面密度不一致，甚至断带、孔洞等现象。纤维化后的粉体材料润滑性差，局部过厚的粉体材料会撑大两支压辊之间的缝隙，导致两辊压力超负荷，使得辊体变形，甚至辊体无法驱动。

同时，受热膨胀、延展率和速差等因素影响，极片厚度、面密度等难以控制。电极自支撑膜韧性差，张力小，提速后易断裂，造成生产难以提高速度。

解决方案：

1）提高成膜的连续稳定性：一是物料进行造粒处理，使粒径保持在2mm内，且大小均匀；二是采用振动方式连续均匀给料。

2）采用闭环控制系统保证厚度一致性：使用厚度、面密度在线检测技术，实时自动闭环控制。

3）提高生产速度：一是电极膜增加载体，保证电极膜韧性；二是采用并排多辊进行连续减薄转移。

在干电极制造方面，国内公司也公布了工程化技术，从固体粘接剂、工艺方法和设备方面的解决方案。

嘉拓智能对不同粘结剂（PTFE、PVDF、PAN及改性PAA等）在干法电极的应用，电极材料粉体形貌在混料、成型、复合后的电化学性能，干法涂布（干粉、热熔）可行性进行了深入研究，并研制电极膜减薄成型工艺和设备（见图7），实施多辊辊压和钢带辊压的设备路线。钢带系统可以作为自支撑电极膜的载体，减少电极膜在辊对辊制造和高速运转中的断带。现在已完成三元正极材料+PTFE2%+爱立许搅拌+钢带压延一次成膜验证。

上海华起睿智采用自主研发的多级结构纳米材料作为添加剂，可防止纤维化后的粉体材料在生产输送过程中发生团聚、分层、偏析及架桥。开发了一套专用的粉体输送工艺和装备（见图8），通过高精度计量传感器与控制器对高黏性絮状混合粉体进行实时动态控制，得到面密度均匀的自支撑电极膜。电极膜成型采用高精度连续辊压设备，压力逐级放大，同时，对压的两辊设置速差，让电极膜成型时产生“揉”和“搓”的作用，以提高成型效果。

2.长电芯制造技术

新能源汽车对动力电池能量密度提出高要求，方型电芯尺寸逐渐变大，厚度逐渐变薄。长薄化电芯散热性好，本身可作为结构件，叠加无模组 CTP、CTC 技术，提升安全性和体积能量密度，降低成本。

（1）比亚迪刀片电池 比亚迪的刀片电池是长电芯的代表，它是一种基于方形电池的长电芯CTP方案。刀片电池通过减薄电芯厚度，增大电芯长度，同时取消模组设计，电芯直接阵列在电池包中充当结构件（即CTP方案），从而提升空间利用率，提高电池安全性。

与传统方形电池相比，刀片电池最大的特点在于“长而薄”，天然适用于叠片工艺。传统方形电池的长度一般为148mm、厚度79mm、高度 97mm，一般选择卷绕工艺进行生产；而刀片电芯长度为960mm、厚度13.5 mm、高度90mm，刀片电芯的长度大幅增加、厚度明显变薄，此时利用卷绕工艺很容易出现褶皱、变形等问题，故比亚迪采用叠片工艺生产刀片电池。

由于刀片电池外形不同于传统动力电池，没有现成的标准设备可以直接使用，而得益于比亚迪母公司设备研发制造团队强大，关键工序的设备均为自行开发。弗迪工厂的涂布工艺，支持最大宽度达1300mm，同时还是双面同时涂布，单位面积涂敷重量偏差小于1%。辊压工艺中，可以支持1200mm超大宽幅，辊压速度还能达到120m/min，厚度控制2μm以内，确保宽尺寸极片厚度的一致性。

在1200mm的宽度下，极片中间部分受力不如两侧，可能厚度会比两侧高。为此，弗迪工厂的辊压机还采用了弯缸工艺，对轧辊进行平行度校正，以确保辊压后的极片厚度一致性。叠片工艺采用的是比亚迪完全独立自主开发的设备和裁切方案，近1m长的极片，能够实现公差控制在±0.3mm以内，单片叠片效率在 0.3s/pcs 的精度和速度，在国际上都属首创。

（2）蜂巢能源短刀电池 蜂巢能源的短刀电池最长也可达到600mm，电芯也比较普通电芯长，为了控制品质和效率，蜂巢能源在涂布工序、辊压工序、叠片工序和物流环节也开发了独特的工艺。在涂布工序，蜂巢能源采用1400mm超宽幅涂布机，一次出两列，涂布速度高达80m/min，为了保证涂布精度，需要在涂布设备上设置三套β射线在线面密度检测系统和两套CCD实时涂宽检测系统，来实现数据实时检测和控制，保证涂布的自动闭环管控（面密度控制在±1.5%以内，正反面错位≤0.5mm）。在辊压工序，蜂巢能源通过正极热辊压，负极双辊连续滚轧，正极辊压速度80m/min，在辊压机上进行电磁加热、红外线在线烘烤、在线激光测厚及废料边去除等技术集成，通过简化工艺实现更高效率。模切工序全部应用激光模切，不仅节省了模具投入和设备维护的费用，模切效率也得到大幅提升，已由原来的30m/min提升至40～50m/min。下一步，生产线将采用卷对卷模切+切叠一体设备，进一步提高效率和质量。在叠片工序，已研发完成的飞叠技术，叠片效率可以做到0.125s/片，超越卷绕极组成形效率。

蜂巢能源在物流环节使用了更为先进的磁悬浮技术。极组在叠片至热压转运过程中，行业一般采用皮带物流运输，而短刀电芯因单极组的重量、长度尺寸是其他极组的1～2倍，因此转运过程中对极组对齐度的保证要求更高，传统的皮带物流线很难胜任此要求。为此，蜂巢能源导入使用磁悬浮的物流线。相比于传统皮带物流线，磁悬浮物流线传输效率更高，可以达到皮带物流线的10倍，同时，磁悬浮运输车的加/减速更加均匀，极组对齐度更易保证。此外，磁悬浮采用润滑滚动，相比于皮带线的滑动干摩擦，可以减少异物，且一致性更高，无碰撞问题，异物抑制率提升80%。

（3）中创新航One-Stop电池 采用了0.22mm超薄壳体技术、多维壳体成型技术、无盖板技术、多功能复合封装技术、模块化极柱、一体桥接电连接技术、高剪切外绝缘技术和柔性泄压技术，多项创新技术的注入可以实现产品空间利用率提升5%，结构质量降低40%，零部件减少25%，结构综合成本降低15%。同时，在制造技术上围绕极简制造、极限制造及智能制造等四大制造技术方向持续发力，打造领先的制造技术能力。

极简制造方面，采用独创的DBW焊接组装工艺，实现结构空间利用率的极大提高；同时采用极耳直连技术进一步提升产品的Z向空间利用率。采用电芯原位极简封装技术和电芯原位保持成组技术，实现工序简化及制造效率提升。叠片产品上采用行业领先的高速全极耳切叠一体制造技术，实现行业高速切叠技术批量应用。

极限制造方面，采用高效制浆技术，实现高效合浆效率量产能力，批量用于各量产基地。采用高速极薄集流体宽幅涂布和宽幅辊压技术提升电极制造效率，涂布辊压的幅宽、效率及薄集流体应用。

智能制造方面，中创新航将生产线仿真和工艺仿真技术用于生产线及工艺设备开发环节，在匀浆仿真、涂布仿真和制造热管理仿真等维度取得关键成果，为产品和工艺实现及降本增效持续赋能。同时，公司生产线已经实现了大数据应用、云计算与机器感知。同时聚焦更高层次的数据应用，同步在智能监测、AI自分析和闭环自调整等方面深入研究，实现精益自动化、数字化和智能化的深度融合，支撑TW·h时代的大规模制造。

结语

1）4680电池大规模量产仍存在瓶颈，但前景可期。硅负极技术、干法电极技术还不成熟，全极耳生产效率还有待提高。由于技术迭代的时间短，4680电池工程化在生产效率和质量控制方面仍存在矛盾。但作为一款新型的动力电池，4680大圆柱电池在生产成本、安全及性能方面很有优势及市场前景，这从松下、宁德时代和亿伟锂能等电池厂商以及特斯拉、宝马等汽车厂商纷纷提前布局就能看出端倪。大规模量产后，也一定能提高圆柱电池的市场占比，并与方形电池、软包电池一起满足新能源汽车的市场需求。同时，4680电池的低成本、高性能和技术创新密不可分。采用无钴高镍正极材料、硅基负极材料、全极耳结构及干法电极工艺等先进技术可降低电芯生产成本，提高电芯能量密度和充放电效率。根据最新的消息，4680大型圆柱电池的量产取得了重大突破，美国加州弗里蒙特工厂生产了86.8万颗大圆柱形锂离子电池电芯，能够支持1000辆Model Y装车。

2）长薄刀片电芯+高速叠片工艺正成为方形电池发展的主流趋势。与卷绕工艺相比，叠片工艺更适合长薄电芯，且优势开始凸显。更高的能量密度：在相同体积的电芯设计情况下，叠片电芯的能量密度高出约5%左右；更稳定的内部结构和更高的安全性：不存在拐角内应力不均匀问题，每层膨胀力接近，因此可以保持界面平整，内部结构更稳定，同时拐角处受力均匀，断裂风险降低；更长的循环寿命：极耳数量是卷绕电池的两倍，内阻相应降低10%以上，循环寿命比卷绕高10%左右；同时更适合做大尺寸、高倍率和异型电池。然而，叠片工艺具有生产效率较低、占地面积大、良率不如卷绕、设备投资大及技术难度大等缺陷。但随着以蜂巢能源“飞叠技术”为代表的叠片技术迭代，这种缺陷正在逐步消失。预计2025年长薄化电芯需求量将超1300GW·h，市场需求大，发展进入快通道。