0.125秒！关于蜂巢能源高速叠片技术3.0几个核心点

关于动力电池的技术路线如何选择，围绕圆柱、软包和方壳的技术路线讨论还在持续。在制造层面，锂电池中段电芯装配工序中，叠片技术和卷绕技术也处于长期竞争。

这两种方案是围绕电芯的空间利用率、电芯寿命、电芯制造效率以及制造投资，这几个关键技术点来不断博弈。

· 卷绕工艺

通过控制极片的速度、张力、尺寸、偏差等因素，将分条后尺寸相匹配的极片及隔膜、终止胶带等卷成极芯的一种生产工艺。

· 叠片工艺

极片与隔膜交替堆叠在一起，最终完成多层叠片极芯的一种生产工艺。

如下图所示，从电池形态来看，软包和刀片电池是围绕叠片工艺设计和生产的；方形电池则既可以使用叠片工艺也可以采用卷绕工艺，而目前中国的主要技术方向还是围绕卷绕为主；圆柱电池作为一种成熟的产品形态，一直是采用卷绕工艺。

图1 卷绕和堆叠的方案

从国内的技术发展方向来看，目前随着叠片技术的进步，大量电池企业开始从原有的卷绕工艺进入叠片时代。今天我们来看一看蜂巢能源最近发布的一些信息。

PART 1：蜂巢的叠片技术演进

首先来看看叠片技术带来的好处。

从最终电池产品来看，叠片形成的电池产品，能量密度更高、内部结构更稳定、安全性更高和寿命更长。

图2 叠片的优势

· 能量密度更高：从电芯内部来看，卷绕工艺的卷绕拐角部有弧度，空间利用率低一些，而叠片工艺能够充分利用电池空间，在相同体积的电芯设计下形成的电芯能量密度更高。

· 结构更稳定：电池使用过程中，锂离子的嵌入会使得正负极片均会有膨胀，卷绕拐角处内外层内应力不一致，该工艺下电池会发生波浪状变形，进而导致电池的界面变差，电流分布不均，加速电池内部结构不稳定。叠片工艺在电池的循环往复使用中，每层膨胀力相近可保持界面平整。

· 安全性更高：卷绕工艺下两端极片折弯后涂层材料发生较大弯曲变形，折弯处容易发生掉粉、毛刺问题，极片和隔膜所受拉力容易出现不均匀、产生褶皱，极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形。而叠片电池受力均匀，在这个角度而言，电池安全性更高。

· 更长的循环寿命：叠片电池由于极耳数量较多，电子传输距离越短电阻越小，故叠片的电池内阻能够降低，电池产热小。而卷绕容易发生变形、膨胀等问题，影响电池抗衰减性能。

在国内做方壳电池的企业中，使用叠片工艺的，蜂巢能源是第一家。2018年进入行业，蜂巢能源就一直倡导动力电池“从''卷时代''迈入''叠时代''”。2019年蜂巢能源首次亮相就展示其内部代号为“L600”的长叠片电芯，一期产线已提升至单工位0.6秒/片的生产效率。在当时的规划中，叠片的速度路径是0.6秒/片到0.45秒。蜂巢能源正式投产的二期，建设了首条“短刀”电池量产线，蜂巢Z字形叠片机已经实现了0.4秒/片。

在目前这个时间节点，蜂巢自主研发的高速叠片技术3.0，采用极片热复合与多片叠融合技术，通过技术创新在效率方面实现了颠覆性的突破——实现了0.125秒/片的叠片速度。这就使得整体的中段工艺得到了简化，单位占地节省40%以上。同时，效率和精确性的提高，也解决了隔膜褶皱、对齐度不良等缺陷控制与监测痛点问题。

图3 叠片技术规划和实现

PART 2：高速叠片和短刀方案的搭配

这里需要追溯一下“叠片工艺和短刀方案是如何搭配起来的”。

蜂巢能源的短刀电池L600叠片磷酸铁锂电芯，长度约600mm，已在蜂巢能源常州金坛工厂正式量产下线，单体能量密度达到175Wh/kg，循环寿命超过4000次， SOC 0-80%快充时间小于45分钟。

这种电池以前因工艺原因，在生产过程中一直受叠片效率相对较低的影响。之后通过叠片设备集成——在叠片设备上多片同时切、同时叠，实现了更简单机构的高效产出，在单机设备成本几乎不变的情况下，效率提升一倍以上。这就使得短刀电池的设计和高速叠片配合实现了很好的“化学反应”。

图4 短刀电池序列

目前蜂巢能源是全部转向了“短刀”电池序列，在这方面能看到的好处体现在设计层面，比如体积能量密度高、可以作为结构件做CTP，降低成本，易于散热，安全性好等等。

而从“短刀”的适配性，也确实通过L300、L400、L500和L600，存在多个不同的尺寸长度合理，能够适配80％以上的乘用车，也能在不同应用环境下使用。在之前，主要的瓶颈在于大规模生产阶段。通过这次新工艺的导入，生产工艺也更好实现，做到更高的良品率。这是通过集成化的技术来实现的——集成了极片放卷、裁切、叠片CCD在线监测、热压功能，缩短了极片卷料到叠片之间的片料转运，降低极片裁切到叠片间的加工精度差，大幅提升了良品率。

在这里，我们也在思考，为什么短刀电池与飞叠技术堪称完美搭配？

我们能看到，刀片的设计不太适用于卷绕工艺，从实践来看，卷绕的长度不能超过300mm。目前量产的卷绕工艺支持的电芯长度在280mm-300mm，而这个尺寸形态目前是方壳电池的主要覆盖范围。

通过工艺设计，蜂巢的叠片工序的对齐度精度是±0.3mm，而叠片速度0.125秒。短刀电池的技术优势和制造成本优势更加明显，高性能的短刀电池与高效能的高速叠片技术结合，这套解决方案就形成了一个闭环。

PART 3：技术方案展望

圆柱、方壳、软包的发展方向，不同的企业还是会根据自身的情况进行不同的选择，各有优势。

从目前的技术场景来看——

· 圆柱：4680标准化，卷绕，单个电芯的制造速度再提高，使用场景拓宽。

· 软包：往短刀和长刀过渡，使用叠片是具有更大优势的。

· 方壳：如果保持现有的尺寸，继续使用卷绕是合理的选项；但发展成方壳叠片过渡尺寸，成为短刀和长刀后，会自然地采用叠片工艺。

图5 不同技术路线的选择

综合制造效率和成品率来评估两种技术路线——

1）潜力最大的是卷绕大圆柱：最主要的围绕成熟工艺开始导入干电极的工艺，有很大的想象空间。

2）发展最快的是叠片：随着蜂巢能源在叠片技术路线的不断创新，以及中航、亿玮锂能等动力电池企业的持续跟进，中国的电池企业都朝着超级叠片+刀片电池方案开始设计，这块的潜力最大。 

3）发展走向平稳的是卷绕：方壳卷绕保持现状，我们也看到了在原有的产能建设方面，这条路线是最宽的。

小结：

电池企业围绕工艺选择要做取舍，但走势是越来越清晰的，随着技术创新发展，动力电池TWh大规模制造时代是每个电池企业不可回避的点——谁能做好这点，就能在动力电池成为大规模标准化产品阶段找到自己的立足根本。

图｜网络及相关截图

作者简介：朱玉龙，资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师，著有《汽车电子硬件设计》。