圆柱电池极耳设计与不良及动力电池模组、锂电

　　锂离子电池的循环稳定性受到材料、电极和电池水平老化机制的限制。老化机制包括析锂，固体电解质界面生长，以及电极涂层的粘结剂失效等。老化可以通过环境温度控制、充电协议、或电解质添加剂来预防。但是，圆柱形锂离子电池在循环后还存在卷芯内部的机械变形这种老化机制，这种内部的变形通常是不均匀性导致的。

　　圆柱电池的极耳设计可以改善这种卷芯内部的不均匀和机械变形。一般地，圆柱电池极片涂层间歇涂布，在箔材上留出焊接极耳的区域，焊接极耳之后再贴胶带。此时，焊接的铜或铝极耳片的厚度通常为100-200μm，比箔厚度（铜：≈10-15μm；铝：10-27μm）和电极涂层厚度（≈35-100μm）要高得多，卷芯内部所焊接的比较厚的极耳容易导致卷芯的变形。另外，极耳的位置设计也很关键，会直接影响电流密度分布和温度分布，如果电流密度或温度分布不均匀也会造成电池的老化失效。

　　因此，极耳设计需要考虑这两个方面：（1）卷芯内部不引入比较厚的极耳片，方法就是极片一端留出突出的箔材作为极耳，如图1所示；（2）设计多极耳，极限情况就是全极耳，极片一端箔材全留白作为极耳。下面以21700电池为例说明这两种改善效果。

　　如图2所示，分别设计了焊接极耳：1✕1（1个正极极耳，1个负极极耳）和1✕2（1个正极极耳，2个负极极耳）；箔材极耳：1✕1、1✕2、3✕4和101✕125（101个正极极耳，125个负极极耳，与全极耳差不多）。电池极耳实物图如图3所示。

　　图2  极耳设计：（a）极耳间距的定义，（b）焊接极耳：1✕1和1✕2，（c）箔材极耳：1✕1、1✕2、3✕4和101✕125

　　图4显示了极耳设计对电池阻抗的影响，阻抗绝对和相对变化如图4所示。焊接和箔片极耳中， 1 × 1 极耳设计的阻抗最高。在两者的相同配置下（1 × 1 和 1 × 2），与焊接片相比，箔片极耳显示出更高的阻抗，原因是箔片的横截面积较小。箔片和焊接片之间的这种差异在 1 × 1 设计中最大，但是随着极耳数量增加，这种差异减小。

　　图5显示了极耳设计对C/10至3C范围内倍率放电的影响。采用1×1极耳设计的电池放电容量最低。对于箔（图 5a 中的填充红色圆圈）和焊接片极耳（图 5a 中的填充黑色方块），在 1 × 1的情况下，与焊接片相比，1×1箔片极耳的倍率性能略低，原因很可能是箔片的横截面积较小导致阻抗较高。其他数量的极耳设计（如1 × 2和101 × 125），无论箔片或焊接片极耳，电池都显示出相似的倍率性能。但是，与 1 × 1 设计相比，更多极耳设计的电池倍率有显著提升。

　　图6显示了极耳设计对21700电池的温升行为的影响，图7a，b显示了电池表面和卷芯内部最高温度T和倍率C之间的线 。线性拟合斜率Tmax/C是衡量倍率对电池温升影响的参数。图7c中绘制了比率 Tmax/C-rate，用于比较不同的极耳设计。箔片1 × 1 极耳设计的Tmax/C的平均值最高，原因很可能是箔片的横截面积比焊接片低，导致从卷芯到电池外壳的热传递较差。通过增加箔片极耳的数量可以减低最高温度。将101 × 125 箔片极耳与带焊接片的 1 × 1 极耳设计比较，电池温升斜率Tmax/C的降低了 29.2%。

　　图6  （a）电池表面和（b）卷芯内部的最高温度与21700电池的放电倍率C的函数关系。（c） 最高温度与C比值的变化率。彩色和阴影条分别表示电池表面和卷芯内部的最高温度。

　　图7显示了21700电池在环境温度下长期循环实验的比较，相同的极耳数量1 × 2条件下，箔材极耳电池的循环寿命更长。主要原因如图8所示，循环后卷芯内部的 X 射线 CT 测量结果表明焊接极耳的卷芯内部局部变形严重，而箔材极耳卷芯内部变形很小。

　　图7  焊接极耳和箔材极耳设计对电池循环稳定性的影响，SOH与（a）循环周期和（b）充电总容量的曲线关系

　　综上所述，特斯拉4680电池采用极片端面的箔材折叠后与集流盘焊接，而不在卷芯内引入焊接片的主要原因就是：这种极耳设计避免焊接片造成卷芯内部局部不均匀变形，提高电池循环稳定性；多箔材极耳甚至全箔材极耳，降低集流体内阻，提高倍率性能，减少温升。

　　在动力电池的3个主要类型中，圆柱电芯虽然不是占有市场份额最大的，但由于其在消费品市场的广泛用途，使得它的商业化标准化却是最为成熟的。其工艺经过多年的沉淀，稳定且一致性最好。三元材料的圆柱电芯，能量密度能做到210~250Wh/kg。大规模标准化的电芯，使得模组也具备了自动化生产的前提。

　　圆柱电池体积小，非常适用于空间不规则的电池包箱体内，可以充分利用边角空间。虽然当前18650面临被21700替代的问题，但小规模形状复杂动力要求不高成本又比较敏感的车辆上，18650还是会在一段时间内保有自己的一方天地的。

　　在圆柱电芯模组设计中，模组结构是多种多样的，主要根据客户和车型的需求来确定，最终导致模组的制造工艺也不一样。模组一般由电芯、上下支架、汇流排（有的也称连接片）、采样线束、绝缘板等主要部件组成，如下图所示。

　　圆柱电池模组的结构设计，其目的是将多个圆柱电池固定在指定位置上，保证合理振动冲击条件下，不要发生过大位移。电芯位置由电芯支架确定，如果遇到极端情况，电芯支架可能会变形，为了保持电芯之间的距离，一般都会单独设计耐高温、质量小的电信间距保持件。下图中江淮iEV5模组中间的黑色部分应该就是这个类型的设计意图。

　　圆柱电池模组内部，并联比较容易实现，只要一块母排将电芯的一极接入即可，但要做到电流密度分布均匀，热场均匀，则是考验工程师水平的地方。一般都尽量设计成较为对称的结构，但模组进出线位置附近总归与其他电芯均匀布置的位置不太一样，因此是设计仿真的关键点。像特斯拉那样，做出奇异形状的并联母排设计，应该是经过热量和电流分布测算之后的结果（特斯拉模组在文章后半部分里找）。

　　当前被探讨比较多的就是液冷和相变材料冷却。圆柱电芯液冷模组的典型就是特斯拉，在后面的实例中将做介绍。单纯的液冷系统是将导热良好的器件紧贴电芯放置，尽可能均匀且高效的将电芯工作过程中产生的多余热量带走。

　　液冷可以像特斯拉那样完全独立运行，也可以与其他冷却方式相结合。其中的一个重要形式就是与导热硅胶结合，如下图所示。导热硅胶可以获得比金属接触金属更加紧密的贴合，进而获得更好的传热性能。

　　电芯工作时产生的热量通过导热硅胶垫片传递至液冷管，由冷却液热胀冷缩自由循环流动将热量带走，使整个电池包的温度均衡统一，冷却液强大的比热容吸收电芯工作时产生的热量，使整个电池包在安全温度内运作。导热硅胶良好的绝缘性能和高回弹韧性，能有效避免电芯之间的震动摩擦破损问题，和电芯之间的短路隐患，是水冷方案的最佳辅助材料。

　　此液冷方案采用S型导热铝管、在铝管上贴附异型导热硅胶带(在导热硅胶带与电芯接触面增加凸起条纹),让电芯与导热管之间接触面更大,导热效果和减震效果更好。

　　圆柱形电池的电池模组PCM散热结构，相变材料的应用，可以与液冷配合，也可以独立使用。独立应用则可以有多种排列方式。可以将PCM板材贴合在电池模组外部，辅助散热，如下图所示。据该实验结果显示，相变材料的存在也可以起到一定冷却作用。

　　相变材料用于热管理电池组，首先计算出所需 PCM 的质量，再根据电池的形状确定相变材料基体的几何尺寸，制作相变材料基体，并在基体上均匀挖出与单体电池尺寸相同的洞，洞的数量由电池模组中能够容纳的单体电池数量决定。

　　这个形式的相变材料的应用在客观上阻止了热失控单体能量的传播，被认为是一种比较理想的热管理形式。

　　材料相变温度小范围内可以调节，不同类型电芯的最佳工作温度区间并不完全一致；

　　即使满足了上述条件，相变材料的应用依然存在局限性。当环境极其恶劣的时候，比如温度过高。相变材料吸收热量的能力是有限的，当相变完成时，系统温度自然上升。而当温度过低且长时间过低，车辆的冷启动必须吸收外部能量加热才行。

　　1）电芯分选，模组工艺设计时，需要考虑模组电性能的一致性，确保 Pack 整体性能达到或满足整车的要求。为了保证模组电性能的一致性，需要对电芯来料进行严格的要求。电芯厂家一般在电芯出货前，也会按电芯的电压、内阻和容量规格进行分组，但是电芯厂家与 Pack 厂家的最终需求是不同的，考虑到制造工艺、成本、电芯性能等因素，Pack 厂家一般会按自己的标准重新对电芯进行分选。电芯分选需要考虑分选标准的问题，标准制定得合理，会减少剩余闲置的电芯，提升生产效率，降低生产成本。在实际生产过程中，还需要对电芯的外观进行检查，比如检查电芯有无绝缘膜破损、绝缘膜起翘、电芯漏液、正负极端面污渍等不良品。

　　2）电芯入下支架，电芯入下支架是指把电芯插入下支架的电芯定位孔中。难点在于电芯与下支架孔之间的配合公差，孔太大，方便电芯插入，但是电芯固定不好，影响焊接效果；孔太小，电芯插入下支架定位孔比较困难，严重的可能导致电芯插不进去，影响生产效率。为了便于电芯插入，又能固定好电芯，可以把下支架孔前端开成喇叭口。

　　3）电芯极性判断，电芯极性判断是指检查电芯的极性是否符合文件要求，属于安全检查。假如没有极性检查，而电芯极性又装反了，在装入第二面的汇流排时模组就会产生短路，导致产品毁坏，严重的可能导致人员受伤。

　　4）盖上支架，盖上支架是指把上支架盖到电芯上，并把电芯固定在支架内。一般情况下，盖上支架比电芯入下支架困难，一是与圆柱电芯的生产工艺有关，工艺里面有个滚槽工序，假如控制不好，会导致电芯尺寸的一致性差，影响盖上支架，严重的会盖不上去；二是电芯与下支架固定不好，导致电芯有一定的歪斜，导致上支架不好盖或者盖不上。

　　5）模组间距检测，模组间距检测是指检测电芯极柱端面与支架表面的间距检测，目的是检查电芯极柱端面与支架的配合程度，用于判断电芯是否固定到位，为是否满足焊提前判断是否满足焊接条件。

　　6）清洗，等离子清洗是一种干法清洗， 主要是依靠等离子中活性离子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。这种方式可以有效地去除电芯极柱端面的污物、粉尘等，为电阻焊接提前做准备，以减少焊接的不良品。

　　7）汇流排安装，汇流排安装是指把汇流排安装固定到模组上，以便电阻点焊。设计时需要考虑汇流排与电芯的位置精度，特别是定位基准的问题，目的是使汇流排位置处于电芯极柱面的中心，便于焊接。在进行上下支架设计时，要考虑对汇流排的隔离；假如不好做隔离设计，在工序设计时需要考虑增加防短路工装的使用，可以避免在异常情况下发生短路。

　　8）电阻焊接，电阻焊接是指通过电阻焊的方式把汇流排与电芯极柱面熔接在一起。目前国内一般采用电阻点焊，在进行电阻点焊工艺设计时，需要考虑以下 4点：

　　9）焊接检查，在电阻焊接过程中，设备一般对焊接的参数都有监控，假如监测到参数异常，设备都会自动报警。由于影响焊接质量的因素很多，只通过参数监测来判断焊接失效，目前结果还不是特别理想。在实际的生产控制中，一般还会通过人工检查外观和人工挑拨汇流排的方式，再次检查和确认焊接效果。

　　10）打胶，胶水在模组应用上，一般有两种用途：一种用途是固定电芯，主要强调胶水的黏接力、抗剪强度、耐老化、寿命等性能指标；另一种用途是把电芯和模组的热量通过导热胶传递出去，主要强调胶水的导热系数、耐老化、电气绝缘性、阻燃性等性能指标。由于胶水的用途不同，胶水的性能和配方也不同，实现打胶工艺的方法和设备就不同。在胶水选择和打胶工艺方面，需要考虑以下 3 点：

　　a胶水的安全环保性能：尽量选择无毒无异味的胶水，不但可以保护操作者，也可以保护使用者，还能更好地保护环境，也是新能源发展的目标。

　　b胶水的表干时间：为了提高生产效率，一般希望胶水的表干时间越短越好。在实际生产过程中，假如胶水表干时间过短，由于待料、设备异常等因素，会导致胶水的大量浪费；也可能由于操作员处理不及时，因胶水固化时间短而导致设备堵塞，严重时导致停拉线。按经验，尽量把表干时间控制到15～30 min比较合理。

　　c胶水的用量： 胶水用量主要由产品和工艺来确定， 目的是满足产品的要求。目前常用打胶工艺有点胶、涂胶、喷胶和灌胶，每种工艺所需要的设备也是不同的。在打胶时需要注意胶量的控制，避免产生溢胶而影响其他工序。

　　11）盖绝缘板，盖绝缘板是指把模组的汇流排进行绝缘保护。在工艺设计时，需要注意绝缘板不能高出支架的上边缘，同时绝缘板与支架边框之间的间隙最好小于1 mm。

　　12）模组 EOL 测试，EOL测试（end of line）（一般也称下线测试）是生产过程中质量控制的关键环节，主要针对模组的特殊特性进行测试，主要测试项目有：

　　13）转入 Pack组装或入库，经 EOL 测试合格的模组按规定转入Pack 组装工序或入库，转运过程中需要对模组进行绝缘保护和防止模组跌落。

　　通过圆柱电芯模组生产工艺流程的介绍，针对不同的客户和产品，工艺流程的设计是不同的，目的都是为了快速地响应客户和市场的需求。

　　通过上面的分析，仅仅把模组工艺流程设计好是不够的，还需要有完善的生产体系来支撑，才能制造出让客户满意的产品。

　　以 Model S为例，一起看看18650模组，可能大家在网上看的不少，这里也是整理自网上的资料，就大概说一下。

　　上面第一幅图中标示的红线只小模组的分界线，分界线个部分分割开来，避免其中一个部分发生热失控时，其余部分过快的受到波及，造成短时间剧烈的发热甚至爆炸，隔板如下图所示。

　　每颗电芯都有一极通过保险丝与并联母排连接，如下图中纤细的银线就是每颗电芯的保险丝。

　　下面一幅图中显示的电池包爆炸图，其中棕黄色部分的显示了水冷管道的整体形状。据说，网上流传的被拆解了的特斯拉电池包，都是只有水冷管道，而冷却系统中并没有泵的存在。冷却液依靠热胀冷缩在小范围内流动。如果初始状态电芯一致性非常好，电池组内部的热量不均衡差异很小，只在小局部内相互均温就可以达到消除温差的作用。但如果需要启动加热功能，则这种局部流动就无法达成快速大量传热的目的了。

　　江淮iEV5，国内使用圆柱电池的车型不多，比较著名的应该算江淮iEV5，盗图来看一看。电池包总体32并92串，共2944颗电芯，合计23kWh电量。冷却方式为主动风冷。

　　力神2200mAh三元电芯，一个模组32颗电芯全部并联。没有找到显示电气连接和信号采集线的图片。

　　本文来源：“动力电池技术”，内容整理自电动汽车网，小鹏汽车社区，新能源Leander，起点研究，Geekcar，电子发烧友，汽车之家，上海卡豹汽车技术，其余图片来自互联网公开资料。

　　电极材料理论容量，即假定材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提供的容量，其值通过下式计算：

　　石墨负极中，锂嵌入量最大时，形成锂碳层间化合物，化学式LiC6，即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066 g/mol，石墨的最大理论容量为：

　　这些计算值是理论的克容量，为保证材料结构可逆，实际锂离子脱嵌系数小于1，实际的材料的克容量为：材料实际克容量=锂离子脱嵌系数 × 理论容量

　　其中，面密度是一个关键的设计参数，主要在涂布和辊压工序控制。压实密度不变时，涂层面密度增加意味着极片厚度增加，电子传输距离增大，电子电阻增加，但是增加程度有限。厚极片中，锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因，考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同，离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多倍。

　　负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷（正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比）

　　石墨负极类电池N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，这主要是出于安全设计，主要为了防止负极析锂，设计时要考虑工序能力，如涂布偏差。但是，N/P过大时，电池不可逆容量损失，导致电池容量偏低，电池能量密度也会降低。

　　而对于钛酸锂负极，采用正极过量设计，电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能：高温气体主要来源于负极，在正极过量设计时，负极电位较低，更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。

　　日常生产中，一般是先化成再进行分容，化成充入一部分电，分容补充电后再放电，故而：

　　单位体积或单位质量电池释放的能量，如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123Wh/kg。

　　将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样道理，功率密度是指单位质量（有些地方也直接叫比功率）或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

　　举个形象的例子：比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟，耐力好，可以长时间工作，保证汽车续航里程长。

　　比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬间电流，保证汽车加速性能好。

　　放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。即充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C(C-rate的简写)，如0.5C，1C，5C等。

　　用48A放电，其放电倍率为2C，反过来讲，2C放电，放电电流为48A，0.5小时放电完毕;

　　用12A充电，其充电倍率为0.5C，反过来讲，0.5C充电，充电电流为12A，2小时充电完毕;

　　电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

　　SOC，全称是StateofCharge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

　　其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。

　　目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等，我们以后再详细解读。

　　包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

　　用数据说话，下图表示一电池放电曲线，X轴表示放电量，Y轴表示电池开路电压，电池理想放电状态为黑色曲线，红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。

　　图示：Qmax为电池最大化学容量；Quse为电池实际容量；Rbat表示电池的内阻；EDV为放电终止电压；I为放电电流。

　　由于电阻的存在，电池的实际容量会降低。我们也可以看到，电池实际容量Quse取决于两个因素：

　　内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

　　自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。

　　目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等），电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

　　分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。

　　日历寿命是指电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(容量衰减到80%)的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。

　　循环寿命是一个理论上的参数，而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

　　上图为某三元锂电池的充放电特性图，可以看出，不同的充放电方式对电池的寿命影响不一样，如上图数据，以25%-75%充放电的寿命可以达到2500次，即我们所说的电池浅充浅放。电池寿命这个话题我们以后还会深入讨论。

　　这个参数比较有意思，即使是同一规格型号的电池单体在成组后，电池组在电压、容量、内阻、寿命等性能有很大的差别，在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到单体电池的原有水平。

　　单体电池在制造出来后，由于工艺的问题，导致内部结构和材质不完全一致，本身存在一定性能差异。

　　初始的不一致随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计，再加上电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同，导致各单体电池状态产生更大的差异，在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减，并最终引发电池组过早失效。

　　需要指出的是，动力电池组的性能决定于电池单体的性能，但绝不是单体电池性能的简单累加。由于单体电池性能不一致的存在，使得动力电池组在电动汽车上进行反复使用时，产生各种问题而导致寿命缩短。

　　除了要求在生产和配组过程中，严格控制工艺和尽量保持单体电池的一致性外，目前行业普遍采用带有均衡功能的电池管理系统来控制电池组内电池的一致性，以延长产品的使用寿命。

　　电池制成后，需要对电芯进行小电流充电，将其内部正负极物质激活，在负极表面形成一层钝化层——SEI（solidelectrolyteinterface）膜，使电池性能更加稳定，电池经过化成后才能体现其真实的性能，这一过程称为化成。

　　化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高，化成容量是筛选合格电池的重要指标。

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