寧波久鉅智能裝備有限公司董事長朱效銘：全極耳大圓柱鋰電池結構及材料實踐
圖為寧波久鉅智能裝備有限公司董事長朱效銘作主題演講
朱效銘：今天跟大家分享的是“大圓柱電池結構和材料的實踐”。
(見PPT)這是我的個人簡介，我做電池大概有40年的時間了，在電池行業還是做了一些工作，曾經在堿性電池領域里面有一定的貢獻，我主導的項目獲得過國家科技進步二等獎。
下面跟大家分享一下關于大圓柱方面的幾個實踐。
大圓柱看上去結構比較簡單，但是它的電池設計是比較關鍵，因為關系到安全性、密閉性以及能源利用率、生產效率，這些都有直接的影響。作為一個全新的產品，現在大多數的企業都是在比較保密的情況下進行的，公開的數據不多，我這里根據一些公開資料的介紹和我個人的實踐，跟大家分享一下。
這是一個小視頻，介紹我們做的一些設計。
(播放視頻)
大圓柱電池跟傳統的圓柱電池有很大的區別，目前大多數的企業還是在研發設計中，真正量產的不多，包括特斯拉、松下，他們現在也基本上都是處于中試階段。最近特斯拉也有好幾個產品推出來，其實它在結構方面還是在做一些改進，因為二代相比一代的結構還是有點不一樣的。
從結構要求來說，一是要滿足它的性能要求，包括大電流輸入、充放電、改善熱失控，提高電池的容量。
第二是在生產工藝上要滿足工藝上的要求，其實這一點很重要，它的結構很簡單，剛才視頻大家也看到了，它的結構就是幾個零件，就是正負極、電芯極耳、集流盤、集流柱、正極蓋、負極蓋，就這么幾個零件。但是這幾個零件的組合和它結構的變化，跟工藝是有很大關系的。目前來說，大圓柱全極耳有很多工廠在生產，全極耳的工藝，它真正的輸出還是有極耳的，特斯拉推出了一款新的結構以后，國內的企業也都在向這方面靠攏，但是國內的比亞迪、比克、億緯、國軒，他們都在做自己的大圓柱方面的結構，大家各有千秋，都有不同的地方。在設計當中要滿足工藝要求也是很要緊的，同時又要提高生產效率，因為生產效率的提高對電池的成本會有更大的影響。
第三是要滿足自動化要求，結構件的合理設計直接影響生產線的自動化，因為一個零件如果設計不合理，它自動化程度做不到，就像我們現在32140、34140這種國內在做的大圓柱，它有極耳的，有極耳的電池嚴格來說在自動化程度方面是有些欠缺的。
第四是要滿足成本的要求，如果結構件比較復雜，制造成本回比較高。
第五是要滿足安全性的要求，比如說防爆閥結構的設計、部位的設計，直接影響電池的安全。目前特斯拉的電池要求負極采用防爆閥，國內有些企業采用的是正極輸出防爆閥，這些結構對汽車里面影響比較大，因為汽車里面需要負極裝在底盤下面，假如說防爆的話，它就直接沖到下面去，如果在上面的話，它可能會對整個電池的安全性有影響，所以它在安全性方面是有嚴格要求的。
第六是要滿足回收、利用和環保的要求。現在鋰電池回收這一塊也是比較大頭的，如果結構比較復雜，以后拆解不太容易，就會導致回收的成本比較高。
(見PPT)這是特斯拉的電池結構，看上去就很簡單，正極極柱、殼體正極集流盤、正極集流盤、負極端蓋，這是很簡單的，現在很多電池企業都在做這方面的研究，做到最后在工藝上也會有很大的差別。
(見PPT)這是它的二代，相比一代沒有什么大的區別，就是在負極集流蓋那個地方，之前采用的是輥槽工藝，現在采用的是焊接工藝。
這是我們的一款結構，當然我們公司也有好多款結構，因為我們公司除了做電池生產線之外，我們在電池結構方面也做了一些探索，目前可以幫助同行業在這方面發展。
這是我們公司曾經做的一款4680大圓柱電池。
這是現在32140、34140結構的電池，它也算是大圓柱，但是它的結構跟4680還是有些類似的，也是采用極耳輸出的方式。
這是國內有幾家在做的兩頭輸出的結構，兩頭輸出目前大多數用在兩輪車上面，因為兩頭都要焊接，它的焊接Pack成本比較高，特斯拉的電池在正極端和負極端在一個平面上，Pack的時候成本會很低。
下面是從結構和材料方面跟大家分享一下，外殼目前來說鋰電池大圓柱分為單頭開口和兩頭開口的結構，一般來說直徑比較短、高度比較低的采用單頭開口的結構，比較長的一般采用兩頭開口，因為長了以后，它的外殼沖制成了問題，鋼殼的拉伸比是有極限的，鋁殼雖然拉伸比較好，但是它拉伸也是有極限的，所以一般會采用兩頭的。假如說高度比較高的，國內有46250這種圓柱，如果要超出它的沖制外殼比例，我們會選擇兩頭開口的方式。
外殼的材料目前來說就是用鋁的，因為鋁的導電性能比較好，散熱性能比較好，沖刺性能也比較好，它的缺點就是材料成本相對來說比較高。另外一種材料就是用深沖鋼帶，大家在18650上都看到過，這種材料的成本相對來說比較低，而且鋼殼耐高壓情況比較好，但是它的導電性能相對來說比較差。
這是電芯全極耳的結構分析，國內國外現在有兩種，一種是前面那種極耳的切割結構，就是留白以后，在卷繞之前先把它切好;另外一種是沒有切的結構，這兩種結構各有千秋，目前來說國內的揉平沒有很好地解決。國內現在大多數采用機械揉平，對極耳的刮擦比較嚴重，所以會產生一些碎屑，碎屑可能會直接影響電池的性能。特斯拉其實也沒有很好地解決這個問題，所以它采用切的方式，切了以后用壓平的方式來做，它的碎屑情況會好一點，但是它也有一個問題，它對疊起來以后的厚度要求比較高，因為它在焊接的過程中不太好焊，容易穿透。揉平有一個好處，它的焊接效果相當好，揉平以后很少產生焊穿的現象，焊接的牢固度各方面都會比較好一點。這兩種工藝各有千秋，我們公司目前也研發了一款無聲揉平的工藝，揉平的方式跟現在不一樣，所以我個人認為，可能揉平的方式焊接比切的效果好一點。當然這也要被大量生產以后才能獲取數據，來判斷到底哪個工藝好。
正極集流盤目前大多數也是采用鋁，一般是用純度比較高的材料來做。
下面一個是特斯拉的正極集流盤，一個是國內大圓柱帶有極耳的集流盤。從這個結構設計理念上來說，這兩個集流盤的設計其實都存在著一個比較大的問題，就是自動化程度比較難實現。你看它中間的焊接，特斯拉的焊接就是在中間像一朵花的片片里面焊接，自動化是做得到，但是效率會大大降低。第二個也是一樣的，它有一個極耳，而且焊接要在兩個規定的范圍內焊接，從設備角度上來說是能實現，但是它的效率也是會大大降低。
我們公司目前采用的極耳也是能夠在全方位、全角度焊接的理念來做，在不久的將來我們會推出我們的集流盤分享給業內。
這是負極的集流盤結構和材料，它的材料基本上都是采用T2銅，還有的是采用其它焊接比較好的材料，以銅為主。但是這兩個集流盤的設計也是跟正極集流盤一樣，也存在這些問題，就是自動化程度在設計上存在一些缺陷。
這是一個正極集流柱的設計，目前國內的結構跟特斯拉的結構基本上是差不多的，都采用鋁，通過鉚接或者超聲波焊接的方式來固定。
這是負極結構的材料，負極結構底蓋大多數都采用鐵和不銹鋼來沖，這個地方的設計也有一些要求，前面兩個是特斯拉的材料設計，它可能會比較厚，因為它中間平面跨度的地方比較大，后面兩個是我們自己的結構，前面一個是采用輥槽結構的，后面兩個是采用焊接結構的，中間的加長筋的設計也很要緊，因為圓柱電池最薄弱的環節就是它不是在鋼殼部分，鋼殼部分承受的壓力是完全夠的，它就是兩個平面，里邊的壓力大的時候兩個平面會鼓起來，所以它的強度要求特別高。一個是增加它的厚度，第二個是加長筋的設計，這個看上去很簡單，加長筋要在合理的范圍內加長，一條不夠，可能會采用兩條加長筋。
這是一個密封件，國內這一塊推出的也很多，在18650上采用的PP材料比較多，國內現在也在試制PFA這種材料，它的性能是相當優越的，但是它材料太貴了，所以一般的廠家用起來成本比較難接受，還有它的注塑條件比較苛刻，所以這兩種材料目前用得比較多。
下面那個是安全閥的設計，特斯拉二代的安全閥，我判斷大概就在第一個的范圍內。第二個是國內的安全閥的設計，兩頭鋁的大圓柱的安全閥。第三個是我們自己研發的結構，國內也有人在用。
這三個結構從設計要求上來說，特斯拉的結構也是相當優秀的，但是它有一個問題，它的安全閥這個部位在整個平面上是最薄的環節，假如說這個負極底蓋是0.5的厚度，安全閥部分會沖壓成0.2甚至是更低的厚度，在內壓增加的情況下，它最薄的地方就打破了，就瀉壓了。第一個的缺點在什么地方呢?一般沖壓要把等厚的沖壓變薄，需要沖好幾道，沖擊的成本比較高。第二個結構，采用的是鋁的薄片焊上去的，這個鋁的薄片非常薄，底蓋可能是1毫米，它大概就是0.1毫米，就是這樣比較薄的焊上去的，或者是在上面沖得比較薄。我們的結構是比較適合不銹鋼結構的，因為你看到它的防爆鉤的設計在電池的內部，采用不銹鋼是比較合適的。如果采用鐵就不行，如果后面沖刺一道防爆鉤，那你必須要處理，處理了以后，它的防爆壓力就會變化，所以就變得不可控。如果采用鐵的話，我們的防爆閥會沖在正面，然后在正面涂上防銹膠來解決。因為鐵是直接面對電池內部，對電池的質量還是會有影響。
還有一個是密封膠，目前來說密封膠在這方面的應用也是有人在做的，一個是要耐腐蝕，還要耐高溫，還有固化要快，另外黏性要好，工藝性要好，要適合量產線的要求。
還有就是注液孔的設計，看上去這個注液孔，特斯拉的是設計在中心位置的，國內之前的大圓柱注液控是設計在偏心的，偏心和中心有什么區別呢?這個主要是在圓柱電池的特性里面，對自動化程度是一個比較優秀的設計，一般我們都會選擇在中心軸，因為圓柱電池只要外殼定位，就很容易找到它的中心。你如果在偏心，要用電器的設備系統判斷這個孔的位置在哪里，自動化程度就大大下降。以后在設計過程當中，這些都是需要注意的，作為圓柱電池，設計在中心孔是比較好的。
還有一點，我們的注液孔設計在中心部位，還有另外一個考慮，就是正極集流柱和正極集流盤的焊接，我們是通過中心孔周邊的地方去焊接，所以我們解決了正極集流柱和正極集流盤焊接的一個比較大的難題，特斯拉也不是采用這種方式來做的，從它的解剖情況來看，它也是通過超聲波焊機，它能焊牢，但是效率比較低，要達到200、300PPM，需要多少焊機去焊這個東西?所以在設計上還有一些地方需要改進，我看到國內有些企業也是在做扭矩焊，我覺得在效率上會存在一些問題。
目前我們公司推出了一個概念，采用一種柱解的概念，目前這個技術我不在這里展開講，因為時間到了。以后如果大家有需要，可以找到我們公司，我們可以做一些技術交流，我個人也愿意把我們的工藝技術跟電池行業分享，謝謝大家。
(以上為演講速記，未經演講者審閱。)
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