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方形软包系列如何选择

发布时间:

2021/09/15 00:00

作为国内第一批实现三元软包动力电池量产的企业,科技瞄准储能万亿级市场新赛道,也开始介入方形磷酸铁锂电池体系,并向更长循环寿命技术方向寻求突破。

方形、圆柱、软包是主流的动力电池三大封装方式。圆柱电池:通常将正负极与隔膜被卷绕到负极柱上,以钢壳或铝壳进行封装,之后注入电解液,再封口;方形电池:通常使用卷绕或者叠片制造,是目前市场占比最高的产品结构;软包电池:通常采用铝塑膜包装,即在液态锂离子电池套上一层聚合物外壳。常使用卷绕或者叠片制造。目前圆柱卷绕应用的车型有TeslaModel3等;方形卷绕应用的车型有大众ID4等;方形叠片应用的车型有汉等;软包卷绕应用的车型有奔驰EQC等;软包叠片应用的车型有通用VELITE6等。

国内外电池企业对圆柱、方形、软包三种封装形式布局有所差异:日本以圆柱路线为主,上;韩国LG和SKOn以软包路线为主,SKI以方形为主;中国企业如和等,则以方形路线为主。

前仍以软包路线为主,但不排除开拓方形路线,毕竟其去年已经开始布局磷酸铁锂电池,并最快有望在今年建设一条中试线。

总体来看,圆柱、方形和软包三种封装类型的锂电池各有优缺点,都有其主导的领域。但毫无疑问的是,各大企业的投资布局,在一定程度上促进了电池封装工艺的迭代更新和优化升级。(集邦锂电Martin整理)

在能量密度方面,软包电池具有优势。该维度上国内领先的软包电池有、科技等,圆柱电池有力神、比克等,方形电池有、亿纬锂能等。国内外产品在能量密度的差距上,圆柱、软包电池较大,方形电池基本没有差距,该维度上国外第一梯队多为日韩企业,如、、、等。在循环寿命上,方形、软包电池远优于圆柱电池。圆柱电池的寿命可靠性较低与内阻较大、散热能力较弱有关。圆柱卷绕式电池在使用过程中的一种老化失效形式是卷绕极片发生翘曲,翘曲发生的来源可能是电极各层在循环中的体积变化步调不一致。

软包电池的基本结构与圆柱和方形类似,包括正极、负极、隔膜、绝缘材料、正负极极耳和壳体,但软包电池的壳体是铝塑膜,且没有顶盖。铝塑膜是由外层尼龙层(ON)、中间层铝箔(Al)、内层热封层(一般用CPP)、粘合剂构成的多层膜。电池用铝塑膜特点具备极高的阻隔性、良好的热封性能、延展性、柔韧性,并且材料耐电解液及强酸腐蚀。加压工艺是软包电池成型工艺中独特环节。铝塑膜封装结构决定了极片不能紧密排列,极片之间容易出现空隙,从而影响电池性能,所以在化成两次充电之间采用滚压工艺将极片之间的气体排除。

因此,技术路线的取代并不会是一蹴而就的,软包也不会很快被方形取代,车企和电池企业都需要一个缓冲过渡的时期。

软包电池成组复杂,铝塑膜需要金属层和模组的保护,无模组方案仍在探索中。CTP、刀片电池、JTM适用于方形电池,蜂窝电池适用于圆柱,软包电池CTP较少。提出LBP方案,省去大量的铜排连接及常规模组结构附件,软包电池系统体积集成效率从30~40%提升至50~60%,减少约20%的结构件数量。固态电池更适合软包封装。国内固态电解质以氧化物路线为主,电解质的柔韧性较差,预计固态电池主要采用叠片工艺。软包封装的能量密度更高,且有较为丰富的胶状物质封装,是有望率先率先搭载固态电池的封装形式。(报告来源:未来智库)

激光焊接工艺难点:铝合金对激光的反射率极高,焊接过程中气孔敏感性高,焊接问题主要的是气孔、热裂纹和炸火。此外,软包极耳焊接要求高水平的焊接工装,压牢极耳,保证焊接间隙。圆柱电芯的焊接主要是正极的焊接,采用激光焊接。负极的部分壳体薄,容易焊穿,采用负极免焊接的方式。方形电池的焊接主要分为侧焊和顶焊,侧焊对电芯内部的影响较小,飞溅物不会轻易进入壳盖内侧,但对激光器的稳定性、材料的洁净度等要求极高。

硬壳电池与软包电池的差异主要在结构件。硬壳(圆柱和方形)结构件为盖板和外壳,软包电池结构件为铝塑膜。圆柱方面,5号、18650等小体积电池外壳采用镀镍钢,21700中铝壳和镀镍钢外壳均有使用,4680计划采用镀镍钢,电池外壳耐压高,使用和运输过程中不会出现膨胀现象。方形电池主要是铝壳。顶盖主要包括防爆片、反转片和极柱。功能主要有:1)作为正负极引出端;2)泄压保护:动力电池内部温度达到热失控状态时,内压继续上升,排气口翻转,盖帽防爆膜将被冲破,电池内物质随高压气体喷出;3)温度保护:当达到一定温度时,PTC保护元件电阻大幅增加,切断电流;3)密封功能:防水气入侵,防电解液蒸发。

动力电池根据封装形式的不同,主要分为圆柱电池、方形电池和软包电池。三种形态电池中,圆柱电池以正极、隔膜、负极的一端为轴心进行卷绕,封装在圆柱金属外壳之中;方形电池采用卷绕或叠片工艺制造,不同于圆柱电池,方形电池卷绕工艺通常有两个轴心,将正极、隔膜、负极叠层围绕着两个轴心进行卷绕,然后以间隙直入方式装入方形铝壳之中;软包电池是典型的层状堆垒结构,由正极片、隔膜、负极片依次层叠起来,外部用铝塑膜包装。

另外,电池中国获悉,作为国内软包头部企业的科技,瞄准储能万亿级市场新赛道,也开始介入方形磷酸铁锂电池体系,并向更长循环寿命技术方向寻求突破。

动力电池电芯是为汽车提供能量的最小单位,根据形状可分为圆柱电芯、方形电芯、软包电芯三大类;对应电池壳分别为圆柱形硬壳、方形硬壳和铝塑膜。硬壳普遍由不锈钢、铝合金两类材质制成,软包应用的铝塑膜则是一种聚合物。

但值得一提的是,像、等一直以方形路线为主的电池企业,为了丰富产品路线,则开始布局软包电池。自2019年开始配套软包电池,装机量一直在稳步增长;则在DMI混动车型上开始采用软包磷酸铁锂电池模组。

就封装形式而言,软包、方形各有利弊。软包电池可以实现不同容量、不同尺寸的设计,灵活应用,但比方形电池容易鼓胀。并且,软包电池与方形电池还面临一个共同的问题,即产品形状与规格各异,还没有找到一致的发展路径。

近年来,圆柱电池的地位受到方形和软包电池的挑战,但46系列大圆柱电池发布后,有望凭借更高的能量密度和更快的充放电效率,为圆柱电池扳回一城。

从目前单体电芯的技术分类来看,主要包括圆柱、软包以及方形电池。其中,圆柱的优势在于较高的生产效率/较低生产成本(vs.软包较高的单体电芯能量密度与安全性,方形较长的使用周期),而圆柱的劣势则主要包括相对较低的单体电芯能量密度与安全性(vs.软包与方形较低的生产效率/较高生产成本,方形相对较低的单体电芯能量密度与安全性)。

坚持深耕动力储能电池激光焊接与智能装备领域,拥有多项世界先进的关键工艺技术,通过助力电池创新。产品可覆盖圆柱/方形/软包电池的结构件、电芯、模组、PACK等全系列激光焊接与自动化产线整体解决方案。

动力电池的结构升级是动力电池技术进步的另一个重要方向,根据动力电池电芯的封装方式,动力电池的结构主要可以分为圆柱电池,方形电池和软包电池三类。

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