眾所周知，市場(chǎng)上主流的鋰離子電池按照殼體類型和形狀可分為三大類：軟包、方形鋁殼和圓柱。自從2015年國(guó)內(nèi)新能源汽車開(kāi)始火爆以來(lái)，動(dòng)力鋰離子電池也是迎來(lái)了少見(jiàn)的黃金期，當(dāng)然這是和國(guó)家政策和補(bǔ)助直接關(guān)聯(lián)的。究竟軟包、方形鋁殼和圓柱三種類型電池哪一種最適合動(dòng)力汽車？

事實(shí)上各有優(yōu)點(diǎn)，且每家情況不一，所以是仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智，討論是沒(méi)有結(jié)果和意義的。

后續(xù)我會(huì)分別對(duì)三種電池的一些重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析論述。本期我談?wù)?8650圓柱電池的工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

一、注液量：

一般來(lái)說(shuō)，三元系18650  2.6-3.2Ah圓柱電池注液量在5-5.5g之間。具體注液量要看正負(fù)極材料的物理參數(shù)（比表面積、形貌、粒徑分布）、卷繞松緊度、面密度、壓實(shí)密度等。

 如果注液量不足，會(huì)造成內(nèi)部無(wú)法完全浸潤(rùn)，內(nèi)阻偏大，循環(huán)次數(shù)少等。嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致析鋰進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)；如果注液量過(guò)大，會(huì)造成內(nèi)部空間不足（內(nèi)壓大）、容量衰減快、增加成本等。這里說(shuō)一下，注液量大會(huì)造成容量衰減快是因?yàn)樨?fù)極，特別是溫度高和在充電過(guò)程中的時(shí)候，富裕游離態(tài)電解液會(huì)和活性較大負(fù)極鋰碳化合物反應(yīng)，消耗有效物質(zhì)。

 一般廠家確定注液量的方法是將卷繞好的電芯浸入電解液中，計(jì)算前后差重，再富余0.2-0.4g，最后即為最佳注液量。當(dāng)然，此方法雖然簡(jiǎn)單可行，但嚴(yán)謹(jǐn)性不足。最好的方法是梯度注液量分別做電化學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，最終兼顧倍率、高低溫、循環(huán)等。

具體的也要看電池的具體用途來(lái)確定合適注液量是比較科學(xué)的。

錳鋰     鐵鋰等原理基本類似。不贅述。

二、松緊度：

松緊度的計(jì)算是正極、負(fù)極、隔膜和卷針空隙的底面積總和除以圓柱電池內(nèi)底面積。一般為88%-93%。

同樣，具體松緊度要看電池的用途和你要求的最終電池的各項(xiàng)性能決定的。松緊度太低，會(huì)造成空間浪費(fèi)成本增加、電解液難以浸潤(rùn)（耗液）、電芯晃動(dòng)等；松緊度過(guò)高，會(huì)造成后續(xù)電芯膨脹導(dǎo)致的空間不足，影響電化學(xué)性能、內(nèi)壓大CID易斷開(kāi)等。

一般來(lái)說(shuō)，倍率電池松緊度低一些，一般在91%以下；容量電池松緊度高一些，有的甚至能超過(guò)95%。其中原因可以可以思考一下，很簡(jiǎn)單。

需要說(shuō)明的是，考慮到材料不同（如負(fù)極物性參數(shù)）、設(shè)計(jì)參數(shù)不同（如壓實(shí)密度）等，后續(xù)電池膨脹系數(shù)也不同。我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候要實(shí)際綜合考慮。

三、極耳數(shù)：

極耳數(shù)增加只能有限的增加電池的交流內(nèi)阻，和最終使用過(guò)程中的直流內(nèi)阻沒(méi)有直接關(guān)系。且增加極耳數(shù)會(huì)增加電池工藝設(shè)計(jì)難度，增加成本和最終使用風(fēng)險(xiǎn)。所以為了增加最終電池容量或者倍率性能而片面增加極耳數(shù)是否可行，設(shè)計(jì)時(shí)一定要慎重。

原因大概說(shuō)一下：增加極耳數(shù)意味著留白和極耳焊工序增加機(jī)器、材料和人工，成本自然增加；增加極耳數(shù)也會(huì)影響極片張力，造成張力不均，增加卷繞難度和風(fēng)險(xiǎn)；極耳處焊點(diǎn)包膠處理不當(dāng)會(huì)刺穿隔莫；極耳處電流密度最大，電極電勢(shì)最低，增加了析鋰的概率。

一般設(shè)計(jì)是，容量電池正負(fù)極各一個(gè)極耳足以；倍率電池可以考慮多加極耳，但最終決定性能的是直流內(nèi)阻。

舉個(gè)例子：正常不含PTC電池正負(fù)極各一個(gè)極耳，交流內(nèi)阻為30mΩ，1C放電直流內(nèi)阻為50mΩ；現(xiàn)在負(fù)極增加一個(gè)極耳，交流內(nèi)阻為20mΩ，但1C放電直流內(nèi)阻可能為48mΩ。所以說(shuō)，最終看的是電池的濃差極化和電化學(xué)極化帶來(lái)的直流內(nèi)阻。

一句話，極耳數(shù)增加有利有弊，具體看要求。

四、中心針：

 有些圓柱電池廠家最后會(huì)在卷針中心放置不銹鋼卷心針。

基本參數(shù)（力神卷芯為例）：

其作用為：

1、內(nèi)部支撐作用：

電池在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生很多次鋰離子的脫嵌反應(yīng)，同時(shí)內(nèi)部材料也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生老化現(xiàn)象。這就會(huì)造成電池在循環(huán)到一定次數(shù)的時(shí)候整個(gè)卷芯可能發(fā)生變形，由于卷芯內(nèi)部存在空腔，就會(huì)無(wú)法阻止卷芯向內(nèi)部形變的應(yīng)力，輕則電池由于形變會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)性能變差，重則可能發(fā)生內(nèi)短路，繼而發(fā)生安全威脅。

如上圖所示，電池循環(huán)一定次數(shù)后，卷芯內(nèi)部有塌陷現(xiàn)象，且整體電芯有輕微形變。而有中心針電芯不會(huì)出現(xiàn)此情況。

2、應(yīng)對(duì)電池噴射試驗(yàn)：

鋰離子測(cè)試UL1642中有噴射測(cè)試 (Projectile Test)，即要求電池被高溫加熱時(shí)不能有電芯或電池的部分穿透篩網(wǎng)或整個(gè)電芯或電池突出篩網(wǎng)，即不能有異物噴出較大距離。有中心針可以增加一個(gè)氣體噴出的通道，如此一來(lái)卷芯就不會(huì)噴出。如下圖是有中心針的圓柱電池，燃燒后沒(méi)有物質(zhì)噴出。

中心針有利有弊，具體是否需要要看具體要求和工藝控制等。以我來(lái)看，是沒(méi)有必要的。

五、極片對(duì)應(yīng)：

極片對(duì)應(yīng)分四種：1、正極粉料對(duì)應(yīng)負(fù)極粉料   2、正極粉料對(duì)應(yīng)負(fù)極箔材、3  正極箔材對(duì)應(yīng)負(fù)極粉料  4  正極箔材對(duì)應(yīng)負(fù)極箔材。

其中2我們很好理解，如此設(shè)計(jì)會(huì)造成負(fù)極箔材析鋰，后果很嚴(yán)重，故不可取。

事實(shí)上3也同樣嚴(yán)重，我們?cè)O(shè)計(jì)中一定要杜絕！原因如下：  

上圖是力神某博士所做的研究，也是行業(yè)普遍認(rèn)可的。具體原因說(shuō)的很清楚。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中一定要注意，這一點(diǎn)往往被部分企業(yè)忽略。

結(jié)語(yǔ)：時(shí)間有限，本期暫時(shí)對(duì)圓柱電池的設(shè)計(jì)工藝分析至此。下一期我們繼續(xù)探討圓柱電池設(shè)計(jì)過(guò)程中的工藝原理和注意事項(xiàng)。