鋰電池創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計

近幾年鋰電池發(fā)展和應(yīng)用呈現(xiàn)一片大好，其中具有代表性的電芯技術(shù)主要有比亞迪刀片電池、特斯拉的全極耳圓柱電池以及瑞浦蘭鈞的問頂電池，為什么說具有代表性，請下看：

一、比亞迪刀片電池

以2016年為分界線，在國內(nèi)磷酸鐵鋰動力電池裝機(jī)量市占比一度接近70%，然而2016年后由于補(bǔ)貼政策與汽車?yán)m(xù)航里程和動力電池能量密度強(qiáng)相關(guān)，車企紛紛站隊具有高能量密度的三元鋰電池，到2019年補(bǔ)貼政策退坡，成本更低的磷酸鐵鋰電池重出江湖，峰點在2020年比亞迪推出磷酸鐵鋰刀片電池，基于電芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化PACK方式，電池包體積利用首次超過 60%，即通過電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化電池包體積利用率，提高電池包能量密度。刀片電池長度接近1m，匹配電池包包絡(luò)寬度大概在1.2m左右，電池通過直接堆疊，僅在電池包兩邊留出電氣間隙，相比典型方形電池節(jié)約了電芯間間隙，此外刀片電池上蓋直接貼合電芯，電池包縱向空間極致利用。

接下來詳細(xì)說說刀片電芯

電芯尺寸規(guī)格：厚度×寬度×長度=13.5×90.0×960.0 mm

容量規(guī)格：3.2V135Ah →3.2V150Ah → 3.2V173Ah

結(jié)構(gòu)：

刀片電芯兩端出極柱，正負(fù)極柱設(shè)計有陶瓷絕緣圈，其中負(fù)極蓋板上設(shè)置防爆閥和溫度采集點，正極柱蓋板上設(shè)置注液孔和電壓采集點。長刀片電池僅有一個防爆閥。

刀片電池在正負(fù)極柱端且貼近底部液冷板側(cè)藍(lán)膜開窗，推測一方面底部打膠后提高電芯與箱底間的剪切力，另一方面加強(qiáng)高電流密度端散熱能力。

刀片電池內(nèi)部為單芯包結(jié)構(gòu)，芯包側(cè)長邊貼合塑膠支架保護(hù)芯包入殼，防止在入殼時側(cè)邊與鋁殼邊緣碰撞破壞芯包，支架上打孔，有利于電解液的浸潤，裝配好支架后整個芯包包裹Mylar膜，一方面防止芯包大面鋁殼接觸損壞，另一方面用于絕緣保護(hù)。

電芯內(nèi)部：

正極片規(guī)格：83×902mm，負(fù)極片規(guī)格：85×910mm，隔膜規(guī)格：87×923mm

刀片電池隔膜為干法無涂膠隔膜，因此芯包側(cè)邊緣冗余隔膜在熱熔下彼此粘連，形成類似波浪狀邊緣，對極片形成袋裝結(jié)構(gòu)，有利于固定極片位置，防止在轉(zhuǎn)運中錯位。

性能方面

由于電芯薄且長，因此在電芯層級直流電阻較大 50%SOC狀態(tài)，2C 脈沖30s，直流電阻約為0.7mohm（正常電芯在0.3mohm左右），因此刀片電池的倍率性能相對短板，因為要考慮集成后的散熱問題，高電阻高產(chǎn)熱也可能是刀片電池寬度為90mm的原因，電芯寬度小，側(cè)邊散熱距離短。

由于電芯薄且長，因此在電芯層級低溫性能不佳，通常電芯在低溫下放電時只要在啟動時不低于下限電壓，那么電芯會隨著放電溫度逐步上升，從而低溫性能表現(xiàn)較好，然而刀片電池由于太薄，散熱性能好（雖然產(chǎn)熱大，但產(chǎn)熱集中在兩端）電芯溫度較低，因此低溫性能表現(xiàn)不佳。Ps：低溫性能中只要啟動時電壓不低于下限電壓，通常大倍率測試的低溫性能比小倍率測試的低溫性能更佳，可參照 E=I²Rt。

因此上述可見，刀片電池并非從電芯層面進(jìn)行性能提升滿足PACK需求，而是通過電芯結(jié)構(gòu)提高PACK集成，再通過PACK集成彌補(bǔ)電芯缺陷，成為相互促進(jìn)的整體。

電芯堆疊后，散熱就不如單體電芯，因此可克服低溫性能差的問題。

二、特斯拉全極耳4680

2020年9月，特斯拉正式發(fā)布4680大圓柱電池，直徑46mm、高度80mm。特斯拉宣稱，4680電池的單體容量較2170電池提升5倍，并且成本實現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化，而這款電池的獨特之處在于使用干法電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕法電極，以實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率，降低成本的目標(biāo)。

作為圓柱電池，選用直徑為46mm，是綜合PACK集成利用率，生產(chǎn)制造效率以及電芯散熱等方面的一個最優(yōu)解。

在作者看來，特斯拉圓柱電芯從18650→21700→4680，一方面是要通過把電芯做大，降低整體成本（電芯、PACK），另一方面通過全極耳的方式降低電阻、提高倍率性能。如圖所示，為4680全極耳與原21700電芯負(fù)極極片展開示意圖。

18650電芯在極片首端焊接一個極耳用于對外輸出，21700相對18650電芯更大，極片更長，為了降低電阻，在首尾兩端各焊接一個極耳，這種焊接極耳的方式極耳的電流密度極高，其中電流密度最大的位置在B位置，極耳電流密度大，產(chǎn)熱高，產(chǎn)生的熱快速的傳遞到極片上以及靠近的內(nèi)圈或外圈極片，引起極片界面不一致，以及靠近極耳位置的極片電流密度相對遠(yuǎn)離區(qū)更高，因此在近極耳區(qū)極片易出現(xiàn)析鋰。

21700電芯通過多焊接一個極耳進(jìn)行分流，確實有降低電流密度的作用，但是效果并不明顯，且對產(chǎn)生的熱量直接傳遞到極片的現(xiàn)象沒有效果。

4680電芯，通過把極片箔材延申部分作為極耳，電流路徑最長為極片寬度，極耳與集流體通過多點位焊接提高過流，相當(dāng)于全極耳延申到集流體，之后集流體與極柱之間的連接需要通過轉(zhuǎn)接片完成，即便不用轉(zhuǎn)接片以其他的方式連接到極柱始終會出現(xiàn)限流位置。

但在全極耳電芯中，限流位置遠(yuǎn)離極片輔料區(qū)，且與輔料區(qū)在同一縱向，不會因此不同層數(shù)極片受熱，如果熱量傳入卷芯，則全極耳位置全部會被波及，因此均攤效應(yīng)保持了極片界面的一致，電芯整體溫度分布比較均勻。

從上述，可見46全極耳電芯，限制倍率能力的主要是材料電化學(xué)動力學(xué)性能和限流位置的過流能力。然而全極耳電池受當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)的限制，生產(chǎn)效率和設(shè)計目標(biāo)達(dá)成率較低。

三、瑞浦蘭鈞問頂電池

2022年8月25日，瑞浦蘭鈞以“超高想象，創(chuàng)芯紀(jì)元”為主題首次發(fā)布了問頂電池，助力整車實現(xiàn)LFP 700km續(xù)航和NCM 1000km續(xù)航；到了2023 年，問頂電池動力系列158Ah、200Ah，以及包含320Ah在內(nèi)的問頂儲能系列電池也相繼發(fā)布并量產(chǎn)；在2023年底舉辦的瑞浦蘭鈞綠色科技日上，問頂345Ah儲能電池也正式發(fā)布，進(jìn)一步提高了大容量儲能電池的容量上限。

那么什么是問頂技術(shù)？簡而言之，就是充分利用電芯頂部空間，提高電芯內(nèi)部空間的有效利用率。

傳統(tǒng)電池一般采用兩個卷芯，極耳與轉(zhuǎn)接片焊接后，在入殼時極耳需要折疊成”Z”字形，防止極耳接觸到芯包和防止極耳接觸電池殼壁，因此在芯包和頂蓋之間有15mm左右的空間。問頂電池技術(shù)通過改變極耳在轉(zhuǎn)接片焊接的方向，因此在入殼時不需要折極耳，就不需要預(yù)留15mm的空間，但需要預(yù)留極耳轉(zhuǎn)向空間預(yù)防極耳被擠壓，因此預(yù)留了8mm左右，如圖所示為傳統(tǒng)電芯極耳與轉(zhuǎn)接片的焊接和問頂電池極耳與轉(zhuǎn)接片的焊接。

傳統(tǒng)電芯極耳焊接在轉(zhuǎn)接片下方，相對極耳來說，距離較近，可以通過折疊的防止避免極耳過長，又能避免與芯包、殼壁接觸；問頂電池通過把極耳焊接在轉(zhuǎn)接片上面為了預(yù)防極耳焊接好之后芯包翻轉(zhuǎn)外層極耳由于極耳組過厚導(dǎo)致外層極耳斷裂，把雙芯包擴(kuò)展成四芯包，從而降低極耳組的厚度，也就是說傳統(tǒng)電芯一次蝴蝶焊可以完成的事，在問頂電池中需要兩次蝴蝶焊。當(dāng)然一方技術(shù)的提升必然需要其他技術(shù)的扶持，問頂電池把電芯頂部空間壓縮接近一般，電池的體積利用率提高了，容量能量提升了，但是伴隨著注液的難題以及電芯游離電解液的不足引起的循環(huán)壽命問題。

文章來源：鋰想生活