[电池完全征服](34)圆柱形电池是如何制造的… feat.4680

by Kang Heejong

Published 27 Apr.2024 08:00(KST)

Updated 21 Jul.2026 16:05(KST)

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编者注如今是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有领域都离不开电池。“电池完全解析”栏目旨在以浅显易懂的方式，向希望了解电池的普通读者、学生，以及关注电池产业和相关企业的投资者，介绍电池基础知识、产业生态、企业信息、行业动向与前景。每周六与您见面。

日本松下表示，已于上月底与日本马自达汽车签署圆柱形电池供应协议。双方自去年6月起就供应事宜展开谈判，近期才达成协议。在此之前，松下也已与日本斯巴鲁汽车签署相同协议。

松下、马自达和斯巴鲁均未披露具体合同内容，但业内认为松下将向两家公司供应4680圆柱形电池。若如此，日本将首次推出搭载4680电池的电动汽车。

松下此前表示，计划在2025财年（2024年4月1日至2025年3月31日）上半年实现4680电芯量产。这意味着最迟可在今年9月量产4680电池。若按计划推进，松下预计将在与LG能源解决方案所称8月相近的时间推出4680电池。

韩国电池设备企业Phil Energy于23日在企业说明会上表示，正在开发“圆柱形4600卷绕机”，并在向欧洲3家公司、美国1家公司及韩国4家公司等全球电池企业进行演示后，已开始技术销售。

一度似乎将被方形和软包电池压制的圆柱形电池，随着所谓46系电池，即直径为46毫米的圆柱形电池统称，问世而再度受到关注。整车企业正增加在电动汽车中搭载圆柱形电池。

市场调查机构SNE Research数据显示，圆柱形电池在全球电动汽车市场的份额从2019年的28%、2020年的23%、2021年的16%及2022年的12%持续下降，但于2023年回升至13%。

随着46系电池全面量产，这一数值可能进一步上升。LG能源解决方案、三星SDI、SK On、松下、宁德时代、比亚迪等领先电芯企业均制定了46系电池生产计划。<关于4680电池，请参阅“电池完全解析”第20期>

46系圆柱形电池在外观上与传统的1865、2170等圆柱形电池没有明显差异，制造工艺也相似。但由于采用创新技术，制造过程更为复杂，量产时间也相应推迟。以下将通过与4680电池对比，了解圆柱形电池的制造工艺。

如同在面包上涂草莓酱……制造电极

拆解圆柱形锂离子电池后，可以看到圆形金属罐内有多层薄片，如卷筒卫生纸般卷绕在一起。卷成圆形的薄片由正极片、隔膜和负极片相互叠合而成，被称为卷芯（jelly roll）。因其外观酷似瑞士卷蛋糕而得名。

圆柱形电池的结构。三星SDI供图

二次电池中的圆柱形电池，首先制成这种卷芯并放入金属罐内，随后注入电解液并密封。

电池行业通常将电池制造流程分为电极工序、组装工序、化成工序和电池包装工序四个阶段。圆柱形、方形、软包等不同形态仅在细分工序上有所差异，基本流程相同。

电极工序是制造电池正极和负极的过程，也称极片工序。电极是对电池性能影响最大的部分，成本占比也较高。电极工序又分为混合、涂布、辊压以及分切／冲切工序。

混合（mixing）是将正极和负极活性材料与溶剂混合，制成浆料（slurry）的过程。浆料是一种如面团般具有黏性的物质。此时还会加入提高活性材料颗粒间黏附力的粘结剂，以及帮助电子移动的导电剂。<关于导电剂和粘结剂，请分别参阅第27期和第29期>

混合工艺。图片来源=TSI

涂布工序是将制成的正极和负极浆料，分别均匀涂覆在铝箔和铜箔集流体上的过程，如同在面包上涂抹果酱。此时关键在于以均匀厚度稳定地完成涂布。将浆料自动涂覆于集流体上的设备称为狭缝模头涂布机（slot die coater）。<关于集流体，请参阅第24期和第26期>

电池电极涂布设备。图片由PNT提供

完成涂布的电极会被移送至相连的干燥设备，通过热风等方式去除溶剂。特斯拉曾计划在4680电池中以不使用溶剂的干法工艺取代该湿法工艺，但目前据悉仅在负极采用干法工艺。<关于干法电极，请参阅第30期>

干燥后的电极通过两个辊轮之间，经过使其变薄、压平的辊压（roll pressing）工序。通过辊压，电极厚度变薄，集流体与正极活性材料的结合力增强，从而提高电池能量密度。

完成辊压的正极和负极将进入分切（slitting）工序，按电池规格进行裁切。在此过程中，通过称为分切机（slitter）的设备，依照电芯尺寸切割电极宽度。

电极结构。LG能源解决方案供图

裁切后的电极进入冲切（notching）工序。冲切工序是指在电极的留白区，即未涂覆活性材料的空白区域中，仅保留用于焊接引出极耳的部分，切除其余部分的过程。引出极耳是将正极和负极与外部进行电连接的端子。

过去，冲切工序采用以锋利刀刃冲压的设备，但近期为实现更精密的裁切，正逐步转向激光设备。

传统1865、2170圆柱形电池与4680电池工艺之间，差异最大的环节之一便是冲切工序。这是因为特斯拉的4680电池采用无极耳（Tabless）方式制造。其他46系电池据悉也采用无极耳设计。

现有圆柱形电池与4680电池的无极耳结构

从特斯拉公开的设计来看，其结构与其说是完全没有极耳的无极耳设计，不如说更接近多极耳（multi tab）。它并非像以往那样附加引出极耳，而是将电芯边缘加工成多个极耳形态。采用这种方式的优点是可分散电流和热量。

传统圆柱形电池中，电流集中通过一个正极极耳和一个负极极耳，因此容易受到热量影响；该设计对此进行了改进。采用无极耳设计的4680电池预计需要更精密的激光冲切设备。

图片由Phil Energy提供

冲切工序结束后，制造电池正极和负极的电极工序即告完成。制成的正极和负极以卷料（roll）形式移送至组装生产线。

层层卷绕后装入罐中……组装工序

组装工序是将正极、负极和隔膜结合的过程，由此形成电池外形。圆柱形、方形和软包等不同形态电池之间，差异最大的正是组装工序。

圆柱形电池使用一种名为卷绕机（winder）的设备。该设备分别装载正极卷料、负极卷料及两卷隔膜，像卷筒卫生纸一样层层卷绕，再裁切至适当尺寸。由于制成后的形态酷似瑞士卷蛋糕，因此被称为卷芯。

圆柱形电池绕卷工艺示意图。图片来源=LG能源解决方案

4680电池用卷绕机也需要不同于传统圆柱形电池的设备。由于直径增至46毫米、较以往更粗，因此精准卷绕且避免偏移变得尤为重要。

此后，分别在正极和负极的留白区焊接铝制和铜制极耳，进入极耳焊接（tab welding）工序。早期采用超声波焊接，近期则转向激光焊接。

圆柱形电池组装工艺。图片来源=Center for Advanced Life Cycle Engineering(CALCE) ,University of Maryland

装上极耳的卷芯被放入金属罐中，此时将负极极耳焊接至罐底，正极极耳焊接至盖帽，即金属罐盖。随后将金属罐抽真空后注入电解液，最后通过卷封（crimping）彻底密封金属罐。

特斯拉4680圆柱形电池拆解示意图。图片来源=Journal of The Electrochemical Society, 2023

由于特斯拉4680电池不存在引出极耳，因此省略了极耳焊接工序。据悉，其改为分别在正极和负极加装铝制和铜制圆盘（disk）后进行焊接。

圆柱形电池内部安全装置。图片由江原道消防本部提供

为增强电池安全性，内部还会搭载多种安全装置。拆解制造商的圆柱形电池后，可发现正温度系数器件（Positive Temperature Coefficient）、电流中断装置（Current Interrupt Device）、泄压阀（Vent）等设备。

正温度系数器件会在发生过电流、电阻升高时降低电流量。电流中断装置则在电池内部产生气体、压力上升时切断电流。即使如此压力仍持续升高时，泄压阀便会开启并向外部释放气体，以防止爆炸。

电池也需要熟化……化成工序

完成电极和组装工序的电池尚不具备电学特性，无法发挥电池的完整功能。赋予电池最终活力、使其具备“生命”的便是化成工序。

化成工序的第一阶段是活化（formation）。在活化阶段，电池会在规定温度和湿度下静置一定时间，即进行老化（aging），并反复充放电。通过这一过程，电解液充分渗透至正极和负极，电池结构也趋于稳定。

用于化成工艺的设备。图片来源=APRO提供

在活化阶段，负极表面会形成一层薄薄的固体电解质界面膜（Solid Electrolyte Interphase）。该界面膜对电池性能和寿命有重大影响。软包电池还会增加脱气（degassing）工序，以排出老化过程中产生的气体。

锂离子电池的制造过程。软包电池在化成工序后还需增加去除气体的脱气工序。图片来源 iScience Perspective

在化成工序中，通过测量电阻、电压和容量等筛选不良电池。此时会对内阻（Internal Resistance）、开路电压（Open Circuit Voltage）等进行检测，以评估电池质量。内阻越低越好。开路电压检测则用于确认电池内部是否存在微短路。

不同制造商的化成工序顺序可能有所不同。

为电池打包……电池包装工序

具备完整功能的电池虽可直接销售，但电池企业通常还会根据应用场景（Application）进行包装工序。电池包装工序是将制成的单体电芯模块化并装入电池包的过程，由此为电池增加商品性和附加价值。

电池包装工序分为连接多个电芯的电芯对电芯（cell to cell）工序，以及将电芯组装成模块并连接模块的模块对模块（module to module）工序。

电芯对电芯是指利用线束（wiring harness）或母排（bus bar）连接多个电芯。将如此连接的电芯模块化，并进一步连接各模块的过程，即为模块对模块工序。

此时，除电芯和模块外，还可能连接电池管理系统。电池管理系统实时监控电池容量、电压和温度等，并负责维持性能与安全性。近期，为防止电动汽车火灾，电池包和模块还采用了多种可阻止热蔓延的材料或装置，即使单体电芯发生气体泄漏或爆炸，也避免波及相邻电芯。

与2170等传统圆柱形电池相比，4680电池在相同体积内所需搭载的电池数量较少，因此可简化电池包装工序。例如，Model Y搭载2170电池时需要4400个电芯，而使用4680电池时仅需830个。这可大幅减少电池包装工序所需的焊接次数和零部件数量。

<参考文献>

InsideEvs. Mazda And Panasonic Finally Strike Deal On Cylindrical EV Battery Supply. 2024.3.29
Journal of The ElectrochemicalSociety, Lithium-Ion Cells in Automotive Applications: Tesla 4680 Cylindrical Cell Teardown and Characterization, 2923.12.29
University of Maryland, Safety Analysis of Lithium-Ion Cylindrical Batteries Using Design and Process Failure Mode and Effect Analysis, 2024.2.23
江原道消防本部，《关于锂离子电池爆炸及起火机制的研究》，2020.2.19
LG能源解决方案，Battery Inside
三星SDI博客
Eugene投资证券，《关注电动汽车电池圆柱形电池市场》，2022.1.30
Kiwoom证券研究中心，《投资周期全面启动：关注设备的时机》，2023.9.13

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。