回形针事务所 003 - 电池是怎么做出来的？

我是张每羊，这里是回形针事务所，今天的客户叫蜂巢能源，一家国内新兴的锂电企业。

为了了解他们的电池技术，我们认真学习了客户发来的这份名为「蜂巢定锂」的 49 页 PPT 。但其中最令我们困惑的是这句话：告别电池“卷”时代，进入电池“叠”时代，这到底是个什么意思？

在往期节目中，我们已经讲过，今天电动汽车用的锂离子电池主要分为软包形、圆柱形和方壳形。

它们的工作原理都一样，内部由正极、负极、电解液、隔膜构成，利用锂离子的移动产生电。

制造这样的电池最首要的就是正负极片的生产。

正极是将活性物质比如镍钴锰三元材料粉末、导电剂石墨粉与粘结剂混合涂布在铝箔上，再经干燥压制而成；负极则是将石墨粉与粘结剂混合涂布在铜箔上，再经干燥压制而成。

刚生产出来的正负极片就是这样一大卷连续的长条，由聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成的隔膜也是如此。

这些原材料要如何放到电池里呢？

圆柱形电池靠的是“卷”。把原材料按负极、隔膜、正极、隔膜的顺序叠在一起，通过卷绕法直接卷成圆柱形，再放到金属外壳中。

软包形电池靠的是“叠”。比如这种 Z 字形叠片法就是先把正负极原料裁切成同样大小的矩形极片，再分别叠到隔膜上，隔膜以 Z 字形穿行其间，隔开两极，最后包上铝塑包装。

而对于方壳形电池，一直以来都是使用卷绕法，直到 2019 年，蜂巢能源正式推出了世界范围内首款用高速叠片工艺生产的方壳电池。

那么这样“叠”出来的电池有什么好处呢？

首先，由于方壳形电池体积较大，卷绕法必然会在四个边角形成弧度，在方壳内产生空隙，而叠片法则可以充分利用空间，尽量填满方壳，能量密度相比前者会高出 5% 左右。

其次，锂离子电池工作一段时间后，正负极片均会出现一定程度的膨胀。

卷绕法的电池在拐角处，由于内外层膨胀程度不同，会出现波浪状变形，使得电池内部结构不稳定，严重时还可能发生断裂，引发事故。而叠片法的电池，每层只会上下膨胀，内部结构依然能保持平整，相比之下也更安全。

在振动、挤压、浸水、针刺等安全性测试中，蜂巢能源的电池均超过国标要求。

此外，叠片法由于各个正负极片间互相隔绝，所以每个极片都要安装一个极耳，然后分别焊接在一起形成最终的正负极。但卷绕法为了减少工序，只会隔几层才安装一个极耳，总数通常只有前者的一半。

然而极耳充当着电池的导线，叠片法因为有更多极耳，其横截面也就比卷绕法的大，电阻也跟着降低，那么电池在工作时产生的热量也会更少，更不容易膨胀。

根据蜂巢能源的测试，叠片法相比卷绕法，内部电阻会降低 10% 以上，在循环使用后，膨胀力预计低 40% 以上，寿命高 10% 。

虽然叠片电池有显著的优势，但生产过程中要多次裁切正负极原料，对工艺的要求更高，生产效率通常也只有卷绕法的一半。所以长期以来，方壳电池一直处于“卷”时代止步不前。

不过，随着生产设备的升级，这个局势出现了逆转。

蜂巢能源已经率先完成了行业首例 45 度旋转式高速叠片设备的开发并投入使用，叠片效率达到单工位每片只需 0.6 秒，超出传统叠片设备的 40% 。此外，像松下、三星、宁德时代这些老牌电池厂商也纷纷计划在 2022 年后导入叠片工艺。

在这个大趋势下，蜂巢能源跟多家设备供应商已经成功研发出效率进一步提高至单工位每片 0.45s 的叠片设备。而从蜂巢能源申报的这十几项专利中，我们得知，他们的野心是要在 2023 年实现单工位每片 0.25s 的叠片效率，比卷绕法还快。

而类似技术的发展也造福了当代生活的其他方面，比如这台自动叠衣机，只需 6 秒就能完美地叠完一件衣服，让整理衣物这项无聊的家务跟方壳电池一样也进入自动化的“叠”时代。