鉅大LARGE | 點擊量：2272次 | 2021年04月26日
軟包、方形、圓柱電池封裝結構及技術特性解析
眾所周知，動力鋰電池是電動汽車的核心技術。相比于傳統的鉛酸電池以及鎳氫電池，鋰離子電池因為其比能量高，比功率大，易實現快速充電和深度放電，壽命長等優點，是目前動力鋰電池的重要發展方向。
其實，鋰離子電池的這些性能與其封裝形式息息相關，我們就來詳解鋰離子電池的封裝形式，看看不同技術路線的優缺點。
有人比較較成功的17款電動汽車做了統計，結果表明8款采用了方形卷繞式，7款采用了方形層疊式，2款采用了圓柱卷繞式。
三足鼎立
鋰離子電池根據電芯的不同外殼，分為硬殼和軟包兩大類。硬殼的材料重要有鋼殼和鋁殼兩類，而軟包采用的是鋁塑復合膜材料。其中，硬殼根據其內部正負極片的排列方式又分為圓柱形和方形。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由此，我們可以得到目前圓柱卷繞式、方形層疊式和方形卷繞式是動力鋰電池的三種重要構型。三種制造工藝對應著鋰離子電池三種構型，圓柱卷繞式對應圓柱狀電池，方形層疊式對應軟包，方形卷繞式對應方形。
實物圖比較
圓柱卷繞式=圓柱鋰離子電池
圓柱卷繞式是一種很古典的電池構型，在鎳氫、3C鋰離子電池上得到了長期的應用，業界也積累了大量的生產設計相關經驗。圓柱卷繞式的優點包括生產效率高、一致性好等，缺點包括圓柱外形導致的空間利用率低、徑向導熱差導致的溫度分布問題等。由于圓柱電池的徑向導熱性能不佳，電池的卷繞圈數不能太多（18650電池的卷繞圈數一般在20圈左右），因此單體容量較小，應用在電動汽車上時要大量單體組成電池模組和電池包，連接損耗和管理復雜度都大大新增。
圓柱卷繞式電池的外形看上去雖然簡單，但是內在設計并不簡單。好的電池設計是涉及電化學、熱、電、機械等諸多領域的復雜問題，對電池設計人員提出了很高的要求。舉兩個小例子。
例一：下圖是某款18650電池的內部尺寸（單位:mm），正、負極展開后的長度相加有近1.5米，但用于引流的極耳寬度只有4mm。電池設計人員要慎重地選擇極耳（位置、個數等）、電極涂層的諸多參數，以期降低極板上的電流分布不均勻，同時降低電池內部的溫度分布不均勻。
例二：圓柱卷繞式電池在使用過程中的一種老化失效形式是卷繞極片發生翹曲，翹曲發生的來源可能是電極各層在循環中的體積變化步調不一致。下圖是用CT拍攝的三款18650電池在存儲、低倍率循環、高倍率循環后的電極形態，可以明顯看到高倍率下的翹曲現象。
為了解決這個問題，一個簡單的辦法是在卷繞中心處加一個銷軸，抑制卷芯的形變，如下圖所示。
但是，銷軸的引入會新增成本、重量等（電動汽車用到的電池節數是數以千計），并不一定是最佳選擇。
方形層疊式=軟包鋰離子電池
與卷繞式是由單片的正、負極片卷繞成形不同，層疊式電池是由多層極片層疊而成的。方形層疊式的優點包括：
1)、厚度薄（受限于鋁塑膜的沖壓強度，一般不會超過1cm），因此散熱性能很好；
2)、極片多，每片極片均有凸緣與極耳焊接在一起，極板上的電流密度分布均勻性好；
3）、薄片式，易于組成模塊和電池包，空間利用效率高；
4）、鋁塑膜包裝的重量輕，且抽真空后與電芯貼合緊密，有利于減少無效的重量和體積。
但是，這一構型的缺點包括：
1)鋁塑膜封裝的長期可靠性較難保證，如下圖所示：
2)電池體較軟，極片間的接觸阻抗可能會較大，需在模塊層次或電池組層次加以解決；
3)相比卷繞式電池，生產制作效率較低。
方形卷繞式=方形鋰離子電池
方形卷繞式結合了方形層疊式的外觀特點（但往往厚度更大）和圓柱卷繞式的極板制作方法，具有空間利用率高、生產效率高的優點。但是，這一型電池的設計也是最為復雜的，要考慮的設計變量非常多，還要考慮殼體與電芯間的配合問題。
但由于方形鋰離子電池可以根據產品的尺寸進行定制化生產，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統一。方形電池在普通的電子產品上使用沒有問題，但關于要多只串、并聯的工業設備產品，最好使用標準化生產的圓柱形鋰離子電池，這樣生產工藝有保證，以后也更容易找到可替換的電池。
技術特性比較分析
簡單總結：
1)圓柱形電池，因為其工藝成熟，再加上受到特斯拉青睞，一直備受關注；
2)方形電池，因為其安全性好，也是主流的技術路線之一；
3)軟包電池的發展，得益于消費類電子往體積小，輕薄化發展的趨勢。
上一篇：電池+石墨烯”到底靠不靠譜？
下一篇：詳解電池電量計的原理與計算
