圓柱電芯結構工藝及應用現狀

0引言

近年來，國家和產業界已將電動汽車技術研究和成果轉化確立為核心發展重點，旨在加速汽車工業轉型升級進程[1-2]。動力電池從早期的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，逐步演進至當前主導市場的鋰離子電池以及未來有望上市應用的鈉離子電池。受限于技術成熟度，動力電池技術在發展初期并未獲得廣泛關注，但隨著國家政策的傾斜和扶持，汽車電動化已經成為我國乃至全球汽車發展的主要方向[3-5]。

與傳統的鉛酸、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的優點，是目前電動汽車領域應用最廣泛的動力電池。從化學體系分析，三元鋰和磷酸鐵鋰是當前動力電池電芯材料的2個主流方向。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、安全性更強，但其在能量密度方面略有不足。因此，未來研發的重點在于通過改進正、負極材料和電解液，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準化程度高，具備生產效率高、成本低的優勢，是目前工藝最為成熟的封裝形式，長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，闡述了其結構和工藝特點，系統分析了電動汽車用圓柱形電芯的發展歷程及應用現狀，并對未來發展趨勢進行預測。

1圓柱形電芯結構與工藝

圓柱形鋰離子電芯的結構通常包括正極、負極、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，外殼為電芯負極，一般采用鍍鎳鋼板材質，其結構如圖1所示[9]。

圖1圓柱電芯結構[9]

圓柱電芯的生產工序，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。

極片制備主要包括勻漿、涂布、輥壓、分切和制片5個工序。在勻漿工序，通過攪拌的方式將電極材料、導電劑等物料充分混合，得到均勻穩定分散的漿料[。隨后進入涂布工序，將漿料涂覆在正極或負極集流體上，再通過加熱烘干溶劑得到極片。極片涂布的質量與設備選擇和集流體材料相關。通過控制涂布設備的噴嘴寬窄、風量大小以及溫度分布，結合表面狀態觀察和面密度測試監控涂布狀態，可以保證極片干燥充分、無龜裂卷曲，得到質量較好的極片[2]。在集流體材料方面，傳統的鋁箔、銅箔在實際生產中易產生掉粉的現象，為了改善該問題，涂炭箔、腐蝕箔等材料逐步投入市場應用，有助于改善電芯的安全性和功率特性[13]。涂布完成后，極片通過輥壓機壓實控制極片厚度，確保輥壓后的極片符合工藝參數要求。接下來采用分條機將極片裁切成單電芯需要的寬度，除極片尺寸外，需要重點管控裁切后極片邊緣的毛刺大小，通常需小于 20μm^[14] 。最后，在制片機上焊接極耳，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，卷繞是將正負極極片與隔膜組裝成圓柱形卷芯的核心工序，對電芯的安全性和電性能具有較大影響。卷繞對工藝精度的要求較高，需保證隔膜完全包覆負極極片，負極完全包覆正極極片，否則極易使正負極接觸造成電芯內部短路，帶來安全隱患。卷芯入殼后，通過底焊將負極耳與鋼殼連接，此時鋼殼帶負電，再通過滾槽對殼內卷芯進行限位，此過程需嚴格把控滾槽高度，不能破壞卷芯[15]。隨后經過烘烤、注人電解液和焊端蓋工段，進人電芯裝配的封口工段。封口是將外殼和蓋板密封，使電芯內部形成一個完全密閉的電化學系統，在該工段需要保證工藝穩定以獲得密封性完好可靠的電芯。

圖2圓柱電芯生產工序

電芯裝配完成后，對電池進行清洗，除去外殼表面殘留的電解液，防止腐蝕鋼殼。為了使生產的電芯可以正常充、放電，需要進行化成工序，激活電芯電性能。通過選擇合適的化成電流、電壓和溫度等，可以有效優化和提高電芯性能[。最后通過老化和分選等工序篩選出壓降、內阻和容量均合格的電芯產品。

在化學體系和材料相同的前提下，與方形和軟包電芯相比，圓柱電芯的生產工藝成熟度更高，具有產品一致性高、安全性強和成本低的優點。

（1）產品一致性高。當前市面上方形和軟包電芯的尺寸具備多樣化的特點，電壓容量等參數不統一且定制化產品居多，導致不同廠家生產電芯的工藝存在明顯差異。而圓柱電芯的電芯尺寸固定，在產品技術和生產工藝方面均比較成熟，可以確保產品具有較高的良品率。在化學體系相同的條件下，圓柱電芯具有更高的結構一致性，有利于電池組的管理和電池性能的發揮。同時，將其應用于動力電池，有助于提升整車溫度一致性與安全性[7]。

（2）安全性強。圓柱電芯的外殼材質一般為鋼殼，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電芯內部材料不被破壞，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，鋁材質的機械強度差，容易發生破損，更易導致安全事故的發生[18。另外，由于圓柱電芯的尺寸較小，可將每個電芯的能量控制在較小的范圍內。與大尺寸的電芯相比，即使電池組的某個電芯發生故障，也能降低故障帶來的影響[9]。隨著圓柱電芯生產工藝水平的提升和發展，其安全性能也在不斷提高。

（3）成本低。圓柱電芯產品在結構設計、生產制造工藝、制造設備和成組技術方面均具有較高成熟度，故其運行成本和維護成本較低[20]。除此之外，由于其生產規模大且生產效率高，也有效降低了生產成本。

在性能方面，方形和軟包電芯在邊角處化學物質的活性較差，長期循環使用對性能影響較大，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。

表13種結構電芯特點

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位數字代表電芯直徑，后2位數字指電芯高度，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。圓柱電芯呈現出大尺寸化的趨勢，且隨著結構和材料的創新性發展，電芯性能得到了顯著提升，接下來本文將對圓柱電芯的發展歷程和應用現狀進行分析。

圖318650、21700和4680圓柱電芯產品

2小圓柱電芯發展歷程

2.1 18650電芯

18650電芯于1994年起源于日本索尼公司，發展至今，其產品安全性、一致性和生產工藝均達到了較高水準，被廣泛應用于數碼產品領域。

特斯拉是最早使用18650圓柱電芯的電動汽車品牌，2008年上市的Roadster是特斯拉第一款量產使用鋰電池的純電動汽車，其搭載的電池包由松下公司生產的6831節18650圓柱形電芯組成，串并聯方式為每69節并聯為一組，每9組串聯為一層，最終串聯堆疊成11層。Roadster電池電量為 53kWh ，單次充電的行駛里程超過 320km ，最高車速能達到 201km/h ，效率高達92% ，在續駛里程、效率以及性能等方面均表現出色[21。

隨著電動汽車的蓬勃發展，18650電芯受到新能源電動汽車主機廠廣泛關注，從2019年起被越來越多的汽車品牌用作動力電池。2019年亮相的零跑LP-S01采用比克生產的 18650-2.75Ah 電芯，整包電量為36kWh ，最大續駛里程可達到 360km ，在快充模式下充電48分鐘電量可達 80% 以上。2020年的小鵬G3400采用聯動天翼生產的18650圓柱電池包，整包電池組電量為 50.5kWh ，新歐洲駕駛循環（NewEuropeanDrivingCycle，NEDC）續駛里程達到 401km 。Tesla采用圓柱電芯作為動力電池，旗下多款車型搭載18650電池包[22]。ModelS采用7104節產自松下的18650圓柱電芯，電池組電量達到了 85kWh ，整車續航提高至 500km 。2019款ModelX同樣搭載松下18650電池包，整包容量為 100kWh ，百公里加速時間為 4.6s ，續駛里程為 575km 。

18650電芯尺寸較小，通常需要上千顆電芯成組才能實現純電乘用車百公里續航，成組效率較低。目前已逐漸轉向雙輪電動車、電動工具、移動電源市場發展。未來，隨著技術的進步和新材料的應用，18650電芯有望在這些領域繼續保持競爭力，并逐步拓展到更多應用場景。

2.2 21700電芯

隨著近年來動力電池的快速發展，用戶對電池的容量、充電耗時、能量密度等性能提出了更高的要求。盡管18650電芯的技術成熟，但受限于自身體積，容量提升的空間較小，應用前景受到限制，且暴露出成組復雜、產熱量高以及無法快充的問題。基于此，圓柱形電池開始向大型化發展，21700電芯應運而生。2017年1月4日，特斯拉宣布與日本松下聯合開發的新型21700圓柱電池開始量產，21700電池尺寸為直徑 21mm 、長度 70mm 、質量約為 68g 容量為 4～5Ah 。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，達到相同能量所需的電芯數量可減少約1/3，在降低電池系統管理難度的同時減少了電池包結構件和電氣連接件的數量，提高電池內部空間的有效利用率，從而使得電池包質量下降約 10% 左右，成本下降約9%[25-26]。

近年國內外電池企業積極布局21700電池，國外圓柱電芯生產企業主要包括松下和三星，國內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Model3供貨21700三元鋰離子電芯，單體能量密度約為 250Wh/kg 。以國產Model3標準續航后輪驅動升級版為例，其整車電量為 52.8kWh ，NEDC續航為 455km ，在快充模式下從電量 30% 充到 80% 僅需35分鐘。與ModelS相比，百公里耗電量大幅降低，這主要歸功于電芯的升級和優化。力神電池的21700產線于2017年開始投產，是國內率先實現量產的廠家，為梅賽德斯AMG車型供貨 3.0Ah 高功率21700電芯。江淮iEV6E搭載力神 4.5Ah 的21700三元鋰電池，整車電量為 41.5kWh ，續航達到 310km 。比克電池于2022年將21700電芯容量提升至 5.3Ah ，突破國內21700電芯 5.0Ah 的容量極限。 21700-5.3Ah 電芯在正負極材料上進行了創新應用，正極材料中鎳含量提升至Ni90，同時降低了鈷含量，負極材料在碳中摻入高首效硅，實現正負極效率的高度匹配[27]。比克 21700-5.3Ah 電芯主要面向高端雙輪電動車和智能家居領域。在動力電池領域，比克為零跑S01智能進化車型批量供貨鎳鈷錳酸鋰三元鋰（lithium NickelCobalt Manganeseoxide，NCM811電池的21700電芯，續航可達 460km 。億緯鋰能同樣致力于通過創新設計提高21700電芯的性能，其自主研發的2170040PL產品，基于全極耳結構設計有效降低電池阻抗，使電芯功率得到提升，可應用于工業級工具和各種電動工具，滿足小型化和輕量化的應用需求。

21700圓柱電芯在18650電芯的基礎上進行更改，提升了電芯容量和能量密度，但尺寸相對較小，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勢，基于圓柱電芯大型化發展的趨勢，21700電芯在動力電池領域僅為過渡態，未來將更多地面向電動工具和雙輪電動車領域進行應用和開發。

3大圓柱電芯發展現狀

為應對電動汽車對電池性能日益增長的需求，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布了4680電池，一經公布便引起了國內外電池廠商廣泛關注。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，整個電池包內的電芯數量將減少，利于電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）的管理。但若電芯直徑過大，內部極片卷繞的厚度將增加，增加電芯散熱難度。特斯拉認為 46mm 是兼具續航提升、降成本和安全性3方面優點的最優尺寸[28]。圓柱電池的高度主要取決于不同電動車的底盤設計，不局限于 80mm ，目前行業主流的高度設計有 80mm 、95mm?110mm 等。4680電池在尺寸上做出了較大更改，性能得到進一步優化，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電池的整車續駛里程增加約 16% ，取得了跨越式進步[29]。

3.1 創新技術應用

為了最大化應用4680電池性能，在電芯結構和工藝方面采用了2項先進創新技術，即全極耳設計和干法電極技術。

3.1.1 全極耳設計

傳統小圓柱電池極耳通常焊接在正極或負極極片的一側，卷繞后，電子流通需通過整個極片，路徑較長，這導致電池內阻增大，產熱也會相應增多，從而增大了電池熱失控的風險[3。全極耳技術最早由特斯拉提出，其設計理念是舍棄焊接極耳，正負極極片的一端使用導電涂層進行覆蓋，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行傳導，全極耳結構俯視圖如圖4所示[31]。全極耳技術可以成倍增大電流傳導面積，縮短電子流通路徑 5%～ 20% ，從而使電池內阻降低了5～20倍，有效提升了電池功率。導電涂層和電池殼體的接觸面積達到100% ，分散了發熱區域，減少電芯發熱量，同時全極耳賦予電池更加寬闊的熱量傳輸通道，改善散熱效果，增強了電池的熱穩定性[32]。如圖5所示，在該結構中，電子更容易在電池內部移動，電流倍率提高，有助于提升電池快充性能。另外，通過降低電子偏移和過電位現象的產生，可以有效延長電池壽命[33]。

圖44680圓柱電芯極耳俯視圖

雖然采用全極耳技術可以顯著提升電池的性能，但其對生產工藝要求較高。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量。在極耳處理階段，切邊不齊會造成材料層貼合出現縫隙，影響電池使用安全，極耳切割整形時可能會產生金屬碎屑，增加電池短路風險，同時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數量比傳統極耳焊點增加了5倍以上，激光強度和焦距不易控制，容易焊穿極耳燒到電芯內部或者漏焊，影響電池性能和使用安全。上述問題影響了大圓柱電池的生產效率，當前各企業均不斷提升生產設備和工藝水平，以期提高量產圓柱電池良品率。

圖5小圓柱和4680大圓柱電芯解卷結構示意

3.1.2 干法電極技術

除了創新性結構設計外，4680電池優化了極片制造工藝，提出采用干法電極技術，有助于降低電池成本，同時提高能量密度。

傳統濕法工藝采用液體溶劑，需經歷勻漿、涂布和烘干工序，耗時長且增加了材料和設備成本[35]。而干法電極工藝無需溶劑，直接將電極材料與粉狀粘結劑聚四氟乙烯混合，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程，提高生產效率，節省了材料、干燥設備和回收溶劑的成本，是一種環境友好的極片制造工藝3。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，增大電極密度和導電性，有利于高能量密度電極的高倍率性能發揮。郭德超等研究發現，通過采用干法工藝，電極形成了致密且柔性的纖維網狀結構，在經歷500次充放電循環后，極片結構仍保持穩定，活性物質顆粒之間的裂隙較少。同時，形成的網狀結構能夠限制活性物質顆粒體積膨脹，增強極片的穩定性，提高電池性能。

干法電極技術具有降低成本、提升電池性能的優點，但目前發展尚未成熟，仍存在技術難點。如4680電池的樣件僅在負極采用干法工藝，正極仍采用濕法工藝，這是因為正極材料易發生化學變化，存在粉末脫落的現象，影響材料性能發揮，因此量產4680電池的正負極均采用濕法制造工藝[38]。干法電極技術可以有效提升電池性能，更適配于4680、固態電池等高性能電池的制造需求，其仍是當前行業內關注的重點，具有廣闊的發展和應用前景。

3.2大圓柱電芯應用現狀

大圓柱電芯因具有高能量密度、高安全、強快充的特點，成為當前電動汽車行業內主流的圓柱電芯產品，搭配三元高鎳化學體系適配于各種中高端車型。除了特斯拉外，奔馳、寶馬、蔚來、沃爾沃、江淮等企業也快速布局大圓柱電池，計劃未來推出相關車型[39]。2022年寶馬與多家電池廠商如寧德時代、億緯鋰能達成合作，宣布從2025年起在“新世代\"車型中搭載大圓柱電池包。蔚來自研的4680大圓柱電池，有計劃量產并應用于自身車型和旗下子品牌阿爾卑斯中。在電池生產企業方面，國外的松下、LG新能源、三星SDI和國內企業比克電池、遠景動力、國軒高科等均根據客戶需求積極投人大圓柱電池產品的研發生產[39]。比克電池的46系圓柱電芯采用全極耳設計的同時對化學體系進行優化，單體能量密度可達 270Wh/kg 以上，支持 9～20min 快充。遠景動力新建圓柱電池專屬的零碳電池工廠，規劃產能 30GWh ，為寶馬供貨圓柱電芯。國軒高科于美國先進汽車電池大會上展出了專為純電動車研發的高功率三元46系圓柱電芯，能量密度能達到 310Wh/kg ，處于行業領先水平，同時在電芯測試中實現無熱擴散，具有優異性能。

基于大圓柱電芯在產品一致性、成本、安全等方面的優勢，國內外多家企業同步開發面向儲能領域的大圓柱電芯產品。特斯拉表示在進行產品升級后4680電池將具有更低的成本和更高的能量密度，未來有望應用于家用儲能電池Powerwall和大型集裝箱儲能電池Megapack等儲能產品[40]。億緯鋰能面向家用儲能市場，推出了大圓柱磷酸鐵鋰電池；廈門海辰儲能發布了一系列不同容量的大圓柱電芯，可根據不同應用場景進行個性化定制；鵬輝能源的大圓柱磷酸鐵鋰電芯采用全極耳和全周期動態均衡技術，具有長壽命、寬溫程使用、強動力的特點，適用于各種儲能場景。

無論在新能源汽車領域還是在儲能領域，大圓柱電芯均可以匹配不同的化學體系，發揮其長壽命、低成本、高安全的產品優勢。結合終端市場的需求來看，當前多家企業的大圓柱產品進人規模化量產階段，呈現多元化的競爭態勢。

4結束語

圓柱形鋰離子電芯具有一致性好、安全性高的特點，近年來受到多家車企的廣泛關注，并應用于多款主流車型。隨著電動汽車對續駛里程、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展。以4680等大尺寸圓柱電芯為代表的新型產品，通過采用無極耳、干法電極等先進技術，圓柱電芯展現出更加突出的性能優勢，適配于各種中高端車型。

展望未來，通過持續的結構創新、材料創新和生產技術創新，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現更大突破，從而滿足電動汽車用戶對電池性能的多樣化需求，為新能源汽車行業發展帶來更多可能性。

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（責任編輯梵玲）