【摘要】 鋰離子電池是現(xiàn)階段新能源汽車中應(yīng)用最廣泛的電池。以系統(tǒng)梳理圓柱形鋰離子電芯研究現(xiàn)狀為目的，闡述了圓柱形電芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝原理，對(duì)比分析出圓柱形電芯具有一致性好、安全性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，闡述了小圓柱電芯的發(fā)展歷程和大圓柱電芯的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為新能源汽車電池技術(shù)的持續(xù)突破提供參考。
關(guān)鍵詞：新能源汽車；圓柱電芯；電芯結(jié)構(gòu)；電池生產(chǎn)工藝；應(yīng)用現(xiàn)狀
0 引言
近年來(lái)，國(guó)家和產(chǎn)業(yè)界已將電動(dòng)汽車技術(shù)研究和成果轉(zhuǎn)化確立為核心發(fā)展重點(diǎn)，旨在加速汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)程[1-2]。動(dòng)力電池從早期的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，逐步演進(jìn)至當(dāng)前主導(dǎo)市場(chǎng)的鋰離子電池以及未來(lái)有望上市應(yīng)用的鈉離子電池。受限于技術(shù)成熟度，動(dòng)力電池技術(shù)在發(fā)展初期并未獲得廣泛關(guān)注，但隨著國(guó)家政策的傾斜和扶持，汽車電動(dòng)化已經(jīng)成為我國(guó)乃至全球汽車發(fā)展的主要方向[3-5]。
與傳統(tǒng)的鉛酸、鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、安全性好以及壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，是目前電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力電池[6]。從化學(xué)體系分析，三元鋰和磷酸鐵鋰是當(dāng)前動(dòng)力電池電芯材料的2 個(gè)主流方向[7]。其中，三元鋰的能量密度更高，但使用壽命和安全性較差。而磷酸鐵鋰壽命更長(zhǎng)、安全性更強(qiáng)，但其在能量密度方面略有不足。因此，未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)在于通過(guò)改進(jìn)正、負(fù)極材料和電解液，更有效地平衡能量密度與安全性能之間的固有矛盾。按封裝形式不同，可將鋰離子電芯分為圓柱形、方形和軟包3 種類型。圓柱電芯因其尺寸標(biāo)準(zhǔn)化程度高，具備生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)，是目前工藝最為成熟的封裝形式，長(zhǎng)期被特斯拉等主流車企采用[8]。
本文聚焦于圓柱形鋰離子電芯，闡述了其結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了電動(dòng)汽車用圓柱形電芯的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
1 圓柱形電芯結(jié)構(gòu)與工藝
圓柱形鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)通常包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液4 種主材，以及外殼、蓋帽、墊片、安全閥等輔材。其中，蓋帽為電芯正極，外殼為電芯負(fù)極，一般采用鍍鎳鋼板材質(zhì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。
圖1 圓柱電芯結(jié)構(gòu)[9]
注：正溫度系數(shù)效應(yīng)（Posive Temperature Coefficient，PTC）
圓柱電芯的生產(chǎn)工序，可分為極片制備工段、電芯裝配工段和注液后工段[10]，如圖2所示。
圖2 圓柱電芯生產(chǎn)工序
極片制備主要包括勻漿、涂布、輥壓、分切和制片5個(gè)工序。在勻漿工序，通過(guò)攪拌的方式將電極材料、導(dǎo)電劑等物料充分混合，得到均勻穩(wěn)定分散的漿料[11]。隨后進(jìn)入涂布工序，將漿料涂覆在正極或負(fù)極集流體上，再通過(guò)加熱烘干溶劑得到極片。極片涂布的質(zhì)量與設(shè)備選擇和集流體材料相關(guān)。通過(guò)控制涂布設(shè)備的噴嘴寬窄、風(fēng)量大小以及溫度分布，結(jié)合表面狀態(tài)觀察和面密度測(cè)試監(jiān)控涂布狀態(tài)，可以保證極片干燥充分、無(wú)龜裂卷曲，得到質(zhì)量較好的極片[12]。在集流體材料方面，傳統(tǒng)的鋁箔、銅箔在實(shí)際生產(chǎn)中易產(chǎn)生掉粉的現(xiàn)象，為了改善該問(wèn)題，涂炭箔、腐蝕箔等材料逐步投入市場(chǎng)應(yīng)用，有助于改善電芯的安全性和功率特性[13]。涂布完成后，極片通過(guò)輥壓機(jī)壓實(shí)控制極片厚度，確保輥壓后的極片符合工藝參數(shù)要求。接下來(lái)采用分條機(jī)將極片裁切成單電芯需要的寬度，除極片尺寸外，需要重點(diǎn)管控裁切后極片邊緣的毛刺大小，通常需小于20 μm[14]。最后，在制片機(jī)上焊接極耳，粘貼絕緣膠包覆裸露的極耳和集流體，完成極片的制備工作。
在電芯裝配工段，卷繞是將正負(fù)極極片與隔膜組裝成圓柱形卷芯的核心工序，對(duì)電芯的安全性和電性能具有較大影響。卷繞對(duì)工藝精度的要求較高，需保證隔膜完全包覆負(fù)極極片，負(fù)極完全包覆正極極片，否則極易使正負(fù)極接觸造成電芯內(nèi)部短路，帶來(lái)安全隱患。卷芯入殼后，通過(guò)底焊將負(fù)極耳與鋼殼連接，此時(shí)鋼殼帶負(fù)電，再通過(guò)滾槽對(duì)殼內(nèi)卷芯進(jìn)行限位，此過(guò)程需嚴(yán)格把控滾槽高度，不能破壞卷芯[15]。隨后經(jīng)過(guò)烘烤、注入電解液和焊端蓋工段，進(jìn)入電芯裝配的封口工段。封口是將外殼和蓋板密封，使電芯內(nèi)部形成一個(gè)完全密閉的電化學(xué)系統(tǒng)，在該工段需要保證工藝穩(wěn)定以獲得密封性完好可靠的電芯。
電芯裝配完成后，對(duì)電池進(jìn)行清洗，除去外殼表面殘留的電解液，防止腐蝕鋼殼。為了使生產(chǎn)的電芯可以正常充、放電，需要進(jìn)行化成工序，激活電芯電性能。通過(guò)選擇合適的化成電流、電壓和溫度等，可以有效優(yōu)化和提高電芯性能[16]。最后通過(guò)老化和分選等工序篩選出壓降、內(nèi)阻和容量均合格的電芯產(chǎn)品。
在化學(xué)體系和材料相同的前提下，與方形和軟包電芯相比，圓柱電芯的生產(chǎn)工藝成熟度更高，具有產(chǎn)品一致性高、安全性強(qiáng)和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
（1）產(chǎn)品一致性高。當(dāng)前市面上方形和軟包電芯的尺寸具備多樣化的特點(diǎn)，電壓容量等參數(shù)不統(tǒng)一且定制化產(chǎn)品居多，導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)電芯的工藝存在明顯差異。而圓柱電芯的電芯尺寸固定，在產(chǎn)品技術(shù)和生產(chǎn)工藝方面均比較成熟，可以確保產(chǎn)品具有較高的良品率。在化學(xué)體系相同的條件下，圓柱電芯具有更高的結(jié)構(gòu)一致性，有利于電池組的管理和電池性能的發(fā)揮。同時(shí)，將其應(yīng)用于動(dòng)力電池，有助于提升整車溫度一致性與安全性[17]。
（2）安全性強(qiáng)。圓柱電芯的外殼材質(zhì)一般為鋼殼，硬度較高，在受到外界碰撞的情況下，可以在一定程度上保護(hù)電芯內(nèi)部材料不被破壞，安全性更好，而方形和軟包電芯通常采用鋁殼或鋁塑膜封裝，鋁材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度差，容易發(fā)生破損，更易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[18]。另外，由于圓柱電芯的尺寸較小，可將每個(gè)電芯的能量控制在較小的范圍內(nèi)。與大尺寸的電芯相比，即使電池組的某個(gè)電芯發(fā)生故障，也能降低故障帶來(lái)的影響[19]。隨著圓柱電芯生產(chǎn)工藝水平的提升和發(fā)展，其安全性能也在不斷提高。
（3）成本低。圓柱電芯產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造工藝、制造設(shè)備和成組技術(shù)方面均具有較高成熟度，故其運(yùn)行成本和維護(hù)成本較低[20]。除此之外，由于其生產(chǎn)規(guī)模大且生產(chǎn)效率高，也有效降低了生產(chǎn)成本。
在性能方面，方形和軟包電芯在邊角處化學(xué)物質(zhì)的活性較差，長(zhǎng)期循環(huán)使用對(duì)性能影響較大，而圓柱電芯因其中心向外部各方向的距離相同所以不存在該問(wèn)題，且散熱效果更好。表1列出了圓柱電芯、方形電芯和軟包電芯的特點(diǎn)。
表1 3種結(jié)構(gòu)電芯特點(diǎn)
目前，按照電芯尺寸，可將市面上常見的圓柱電芯分為小圓柱和大圓柱。典型的小圓柱電芯包括18650 電芯和21700 電芯（圖3），其名稱的前2 位數(shù)字代表電芯直徑，后2 位數(shù)字指電芯高度，最后一位“0”指代圓柱電池（如有）。大圓柱電芯以46 系列的4680電芯為代表（圖3），另外還包括34系列的34110電芯、34120電芯以及40系列的40135電芯等。圓柱電芯呈現(xiàn)出大尺寸化的趨勢(shì)，且隨著結(jié)構(gòu)和材料的創(chuàng)新性發(fā)展，電芯性能得到了顯著提升，接下來(lái)本文將對(duì)圓柱電芯的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。
圖3 18650、21700和4680圓柱電芯產(chǎn)品
2 小圓柱電芯發(fā)展歷程
2.1 18650電芯
18650 電芯于1994 年起源于日本索尼公司，發(fā)展至今，其產(chǎn)品安全性、一致性和生產(chǎn)工藝均達(dá)到了較高水準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品領(lǐng)域。
特斯拉是最早使用18650圓柱電芯的電動(dòng)汽車品牌，2008 年上市的Roadster 是特斯拉第一款量產(chǎn)使用鋰電池的純電動(dòng)汽車，其搭載的電池包由松下公司生產(chǎn)的6 831節(jié)18650圓柱形電芯組成，串并聯(lián)方式為每69節(jié)并聯(lián)為一組，每9組串聯(lián)為一層，最終串聯(lián)堆疊成11 層。Roadster 電池電量為53 kWh，單次充電的行駛里程超過(guò)320 km，最高車速能達(dá)到201 km/h，效率高達(dá)92%，在續(xù)駛里程、效率以及性能等方面均表現(xiàn)出色[21]。
隨著電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，18650 電芯受到新能源電動(dòng)汽車主機(jī)廠廣泛關(guān)注，從2019年起被越來(lái)越多的汽車品牌用作動(dòng)力電池。2019 年亮相的零跑LPS01采用比克生產(chǎn)的18650-2.75 Ah 電芯，整包電量為36 kWh，最大續(xù)駛里程可達(dá)到360 km，在快充模式下充電48 分鐘電量可達(dá)80%以上。2020 年的小鵬G3 400 采用聯(lián)動(dòng)天翼生產(chǎn)的18650 圓柱電池包，整包電池組電量為50.5 kWh，新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）續(xù)駛里程達(dá)到401 km。Tesla采用圓柱電芯作為動(dòng)力電池，旗下多款車型搭載18650 電池包[22]。Model S 采用7104 節(jié)產(chǎn)自松下的18650 圓柱電芯，電池組電量達(dá)到了85 kWh，整車?yán)m(xù)航提高至500 km。2019 款Model X 同樣搭載松下18650 電池包，整包容量為100 kWh，百公里加速時(shí)間為4.6 s，續(xù)駛里程為575 km。
18650 電芯尺寸較小，通常需要上千顆電芯成組才能實(shí)現(xiàn)純電乘用車百公里續(xù)航，成組效率較低。目前已逐漸轉(zhuǎn)向雙輪電動(dòng)車、電動(dòng)工具、移動(dòng)電源市場(chǎng)發(fā)展。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和新材料的應(yīng)用，18650電芯有望在這些領(lǐng)域繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力，并逐步拓展到更多應(yīng)用場(chǎng)景。
2.2 21700電芯
隨著近年來(lái)動(dòng)力電池的快速發(fā)展，用戶對(duì)電池的容量、充電耗時(shí)、能量密度等性能提出了更高的要求。盡管18650 電芯的技術(shù)成熟，但受限于自身體積，容量提升的空間較小，應(yīng)用前景受到限制，且暴露出成組復(fù)雜、產(chǎn)熱量高以及無(wú)法快充的問(wèn)題。基于此，圓柱形電池開始向大型化發(fā)展，21700 電芯應(yīng)運(yùn)而生。2017 年1 月4 日，特斯拉宣布與日本松下聯(lián)合開發(fā)的新型21700 圓柱電池開始量產(chǎn)，21700 電池尺寸為直徑21 mm、長(zhǎng)度70 mm、質(zhì)量約為68 g、容量為4～5 Ah。該電芯能夠在體積和容量之間取得更好平衡，從而取代小尺寸的18650 電芯[23]。21700 電芯不僅保持了18650 電芯的高可靠性和穩(wěn)定性，且在其他方面也有較大提升，如電芯容量提升35%，能量密度提升約20%[24]。另外，由于電芯體積增大、容量提升，達(dá)到相同能量所需的電芯數(shù)量可減少約1/3，在降低電池系統(tǒng)管理難度的同時(shí)減少了電池包結(jié)構(gòu)件和電氣連接件的數(shù)量，提高電池內(nèi)部空間的有效利用率，從而使得電池包質(zhì)量下降約10%左右，成本下降約9%[25-26]。
近年國(guó)內(nèi)外電池企業(yè)積極布局21700 電池，國(guó)外圓柱電芯生產(chǎn)企業(yè)主要包括松下和三星，國(guó)內(nèi)著名的代表廠商主要包括比克電池、億緯鋰能、力神電池以及猛獅科技等。松下為特斯拉Model 3 供貨21700 三元鋰離子電芯，單體能量密度約為250 Wh/kg。以國(guó)產(chǎn)Model 3 標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航后輪驅(qū)動(dòng)升級(jí)版為例，其整車電量為52.8 kWh，NEDC續(xù)航為455 km，在快充模式下從電量30%充到80%僅需35 分鐘。與Model S 相比，百公里耗電量大幅降低，這主要?dú)w功于電芯的升級(jí)和優(yōu)化。力神電池的21700 產(chǎn)線于2017 年開始投產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的廠家，為梅賽德斯AMG 車型供貨3.0 Ah 高功率21700 電芯。江淮iEV6E 搭載力神4.5 Ah 的21700三元鋰電池，整車電量為41.5 kWh，續(xù)航達(dá)到310 km。比克電池于2022 年將21700 電芯容量提升至5.3 Ah，突破國(guó)內(nèi)21700 電芯5.0 Ah 的容量極限。21700-5.3 Ah 電芯在正負(fù)極材料上進(jìn)行了創(chuàng)新應(yīng)用，正極材料中鎳含量提升至Ni90，同時(shí)降低了鈷含量，負(fù)極材料在碳中摻入高首效硅，實(shí)現(xiàn)正負(fù)極效率的高度匹配[27]。比克21700-5.3 Ah 電芯主要面向高端雙輪電動(dòng)車和智能家居領(lǐng)域。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，比克為零跑S01 智能進(jìn)化車型批量供貨鎳鈷錳酸鋰三元鋰（lithium Nickel Cobalt Manganese oxide，NCM811）電池的21700 電芯，續(xù)航可達(dá)460 km。億緯鋰能同樣致力于通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提高21700 電芯的性能，其自主研發(fā)的21700 40PL 產(chǎn)品，基于全極耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低電池阻抗，使電芯功率得到提升，可應(yīng)用于工業(yè)級(jí)工具和各種電動(dòng)工具，滿足小型化和輕量化的應(yīng)用需求。
21700 圓柱電芯在18650 電芯的基礎(chǔ)上進(jìn)行更改，提升了電芯容量和能量密度，但尺寸相對(duì)較小，仍屬于小圓柱電芯范圍，在電池包整包的能量密度和體積利用率方面不占優(yōu)勢(shì)，基于圓柱電芯大型化發(fā)展的趨勢(shì)，21700電芯在動(dòng)力電池領(lǐng)域僅為過(guò)渡態(tài)，未來(lái)將更多地面向電動(dòng)工具和雙輪電動(dòng)車領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用和開發(fā)。
3 大圓柱電芯發(fā)展現(xiàn)狀
為應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車對(duì)電池性能日益增長(zhǎng)的需求，特斯拉著力解決安全性、成本與性能三者間的固有矛盾，推出了4680大圓柱電池。特斯拉在2020年9月的電池日上正式發(fā)布了4680電池，一經(jīng)公布便引起了國(guó)內(nèi)外電池廠商廣泛關(guān)注。4680 電池與小圓柱電池最明顯的差異在于電池尺寸。圓柱電池的直徑越大，單體的容量越高，整個(gè)電池包內(nèi)的電芯數(shù)量將減少，利于電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的管理。但若電芯直徑過(guò)大，內(nèi)部極片卷繞的厚度將增加，增加電芯散熱難度。特斯拉認(rèn)為46 mm 是兼具續(xù)航提升、降成本和安全性3 方面優(yōu)點(diǎn)的最優(yōu)尺寸[28]。圓柱電池的高度主要取決于不同電動(dòng)車的底盤設(shè)計(jì)，不局限于80 mm，目前行業(yè)主流的高度設(shè)計(jì)有80 mm、95 mm、110 mm 等。4680電池在尺寸上做出了較大更改，性能得到進(jìn)一步優(yōu)化，與21700 圓柱電池相比，其直徑增大了2 倍以上，能量提升5 倍，輸出功率提升6倍，成本減少了56%，搭載4680 電池的整車?yán)m(xù)駛里程增加約16%，取得了跨越式進(jìn)步[29]。
3.1 創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用
為了最大化應(yīng)用4680電池性能，在電芯結(jié)構(gòu)和工藝方面采用了2 項(xiàng)先進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)，即全極耳設(shè)計(jì)和干法電極技術(shù)。
3.1.1 全極耳設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)小圓柱電池極耳通常焊接在正極或負(fù)極極片的一側(cè)，卷繞后，電子流通需通過(guò)整個(gè)極片，路徑較長(zhǎng)，這導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，產(chǎn)熱也會(huì)相應(yīng)增多，從而增大了電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)[30]。全極耳技術(shù)最早由特斯拉提出，其設(shè)計(jì)理念是舍棄焊接極耳，正負(fù)極極片的一端使用導(dǎo)電涂層進(jìn)行覆蓋，卷繞后可以與殼體直接接觸，這樣電子能夠直接在集流體和電池殼體間進(jìn)行傳導(dǎo)，全極耳結(jié)構(gòu)俯視圖如圖4 所示[31]。全極耳技術(shù)可以成倍增大電流傳導(dǎo)面積，縮短電子流通路徑5%～20%，從而使電池內(nèi)阻降低了5～20 倍，有效提升了電池功率。導(dǎo)電涂層和電池殼體的接觸面積達(dá)到100%，分散了發(fā)熱區(qū)域，減少電芯發(fā)熱量，同時(shí)全極耳賦予電池更加寬闊的熱量傳輸通道，改善散熱效果，增強(qiáng)了電池的熱穩(wěn)定性[32]。如圖5所示，在該結(jié)構(gòu)中，電子更容易在電池內(nèi)部移動(dòng)，電流倍率提高，有助于提升電池快充性能。另外，通過(guò)降低電子偏移和過(guò)電位現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以有效延長(zhǎng)電池壽命[33]。
圖4 4680圓柱電芯極耳俯視圖
圖5 小圓柱和4680大圓柱電芯解卷結(jié)構(gòu)示意
雖然采用全極耳技術(shù)可以顯著提升電池的性能，但其對(duì)生產(chǎn)工藝要求較高。在涂布階段，若涂布的精度不夠，可能影響極耳整形和焊接的質(zhì)量。在極耳處理階段，切邊不齊會(huì)造成材料層貼合出現(xiàn)縫隙，影響電池使用安全，極耳切割整形時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑，增加電池短路風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)平整度將影響集流盤焊接的良率[34]。在焊接階段，全極耳激光焊的焊點(diǎn)數(shù)量比傳統(tǒng)極耳焊點(diǎn)增加了5 倍以上，激光強(qiáng)度和焦距不易控制，容易焊穿極耳燒到電芯內(nèi)部或者漏焊，影響電池性能和使用安全。上述問(wèn)題影響了大圓柱電池的生產(chǎn)效率，當(dāng)前各企業(yè)均不斷提升生產(chǎn)設(shè)備和工藝水平，以期提高量產(chǎn)圓柱電池良品率。
3.1.2 干法電極技術(shù)
除了創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，4680電池優(yōu)化了極片制造工藝，提出采用干法電極技術(shù)，有助于降低電池成本，同時(shí)提高能量密度。
傳統(tǒng)濕法工藝采用液體溶劑，需經(jīng)歷勻漿、涂布和烘干工序，耗時(shí)長(zhǎng)且增加了材料和設(shè)備成本[35]。而干法電極工藝無(wú)需溶劑，直接將電極材料與粉狀粘結(jié)劑聚四氟乙烯混合，形成纖維化粉末，將粉末壓制成薄膜后熱壓到極片上，省去了固液兩相混合以及濕涂層干燥的過(guò)程，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省了材料、干燥設(shè)備和回收溶劑的成本，是一種環(huán)境友好的極片制造工藝[36]。在電池性能方面，采用干法工藝可以使電極材料顆粒接觸得更加緊密，增大電極密度和導(dǎo)電性，有利于高能量密度電極的高倍率性能發(fā)揮。郭德超等[37]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用干法工藝，電極形成了致密且柔性的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷500次充放電循環(huán)后，極片結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定，活性物質(zhì)顆粒之間的裂隙較少。同時(shí)，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠限制活性物質(zhì)顆粒體積膨脹，增強(qiáng)極片的穩(wěn)定性，提高電池性能。
干法電極技術(shù)具有降低成本、提升電池性能的優(yōu)點(diǎn)，但目前發(fā)展尚未成熟，仍存在技術(shù)難點(diǎn)。如4680電池的樣件僅在負(fù)極采用干法工藝，正極仍采用濕法工藝，這是因?yàn)檎龢O材料易發(fā)生化學(xué)變化，存在粉末脫落的現(xiàn)象，影響材料性能發(fā)揮，因此量產(chǎn)4680 電池的正負(fù)極均采用濕法制造工藝[38]。干法電極技術(shù)可以有效提升電池性能，更適配于4680、固態(tài)電池等高性能電池的制造需求，其仍是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
3.2 大圓柱電芯應(yīng)用現(xiàn)狀
大圓柱電芯因具有高能量密度、高安全、強(qiáng)快充的特點(diǎn)，成為當(dāng)前電動(dòng)汽車行業(yè)內(nèi)主流的圓柱電芯產(chǎn)品，搭配三元高鎳化學(xué)體系適配于各種中高端車型。除了特斯拉外，奔馳、寶馬、蔚來(lái)、沃爾沃、江淮等企業(yè)也快速布局大圓柱電池，計(jì)劃未來(lái)推出相關(guān)車型[39]。2022年寶馬與多家電池廠商如寧德時(shí)代、億緯鋰能達(dá)成合作，宣布從2025年起在“新世代”車型中搭載大圓柱電池包。蔚來(lái)自研的4680大圓柱電池，有計(jì)劃量產(chǎn)并應(yīng)用于自身車型和旗下子品牌阿爾卑斯中。在電池生產(chǎn)企業(yè)方面，國(guó)外的松下、LG 新能源、三星SDI和國(guó)內(nèi)企業(yè)比克電池、遠(yuǎn)景動(dòng)力、國(guó)軒高科等均根據(jù)客戶需求積極投入大圓柱電池產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)[39]。比克電池的46 系圓柱電芯采用全極耳設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)化學(xué)體系進(jìn)行優(yōu)化，單體能量密度可達(dá)270 Wh/kg以上，支持9～20 min 快充。遠(yuǎn)景動(dòng)力新建圓柱電池專屬的零碳電池工廠，規(guī)劃產(chǎn)能30 GWh，為寶馬供貨圓柱電芯。國(guó)軒高科于美國(guó)先進(jìn)汽車電池大會(huì)上展出了專為純電動(dòng)車研發(fā)的高功率三元46系圓柱電芯，能量密度能達(dá)到310 Wh/kg，處于行業(yè)領(lǐng)先水平，同時(shí)在電芯測(cè)試中實(shí)現(xiàn)無(wú)熱擴(kuò)散，具有優(yōu)異性能。
基于大圓柱電芯在產(chǎn)品一致性、成本、安全等方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)同步開發(fā)面向儲(chǔ)能領(lǐng)域的大圓柱電芯產(chǎn)品。特斯拉表示在進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)后4680電池將具有更低的成本和更高的能量密度，未來(lái)有望應(yīng)用于家用儲(chǔ)能電池Powerwall 和大型集裝箱儲(chǔ)能電池Megapack 等儲(chǔ)能產(chǎn)品[40]。億緯鋰能面向家用儲(chǔ)能市場(chǎng)，推出了大圓柱磷酸鐵鋰電池；廈門海辰儲(chǔ)能發(fā)布了一系列不同容量的大圓柱電芯，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行個(gè)性化定制；鵬輝能源的大圓柱磷酸鐵鋰電芯采用全極耳和全周期動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)，具有長(zhǎng)壽命、寬溫程使用、強(qiáng)動(dòng)力的特點(diǎn)，適用于各種儲(chǔ)能場(chǎng)景。
無(wú)論在新能源汽車領(lǐng)域還是在儲(chǔ)能領(lǐng)域，大圓柱電芯均可以匹配不同的化學(xué)體系，發(fā)揮其長(zhǎng)壽命、低成本、高安全的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。結(jié)合終端市場(chǎng)的需求來(lái)看，當(dāng)前多家企業(yè)的大圓柱產(chǎn)品進(jìn)入規(guī)模化量產(chǎn)階段，呈現(xiàn)多元化的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。
4 結(jié)束語(yǔ)
圓柱形鋰離子電芯具有一致性好、安全性高的特點(diǎn)，近年來(lái)受到多家車企的廣泛關(guān)注，并應(yīng)用于多款主流車型。隨著電動(dòng)汽車對(duì)續(xù)駛里程、充電速度以及能量密度需求的不斷提升，圓柱電芯正朝著大型化方向快速發(fā)展。以4680 等大尺寸圓柱電芯為代表的新型產(chǎn)品，通過(guò)采用無(wú)極耳、干法電極等先進(jìn)技術(shù)，圓柱電芯展現(xiàn)出更加突出的性能優(yōu)勢(shì)，適配于各種中高端車型。
展望未來(lái)，通過(guò)持續(xù)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、材料創(chuàng)新和生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新，圓柱電池有望在能量密度、安全性、快充性能及成本控制等方面實(shí)現(xiàn)更大突破，從而滿足電動(dòng)汽車用戶對(duì)電池性能的多樣化需求，為新能源汽車行業(yè)發(fā)展帶來(lái)更多可能性。
來(lái)源：期刊《汽車文摘》作者：陳雨欣 倪婧 馬闊（一汽-大眾汽車有限公司，長(zhǎng)春 130000）
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