软包、方形、圆柱电池封装结构及技术特性解析

众所周知，动力锂电池是电动汽车的核心技术。相比于传统的铅酸电池以及镍氢电池，锂离子电池因为其比能量高，比功率大，易实现快速充电和深度放电，寿命长等优点，是目前动力锂电池的重要发展方向。

其实，锂离子电池的这些性能与其封装形式息息相关，我们就来详解锂离子电池的封装形式，看看不同技术路线的优缺点。

有人比较较成功的17款电动汽车做了统计，结果表明8款采用了方形卷绕式，7款采用了方形层叠式，2款采用了圆柱卷绕式。

三足鼎立

锂离子电池根据电芯的不同外壳，分为硬壳和软包两大类。硬壳的材料重要有钢壳和铝壳两类，而软包采用的是铝塑复合膜材料。其中，硬壳根据其内部正负极片的排列方式又分为圆柱形和方形。

由此，我们可以得到目前圆柱卷绕式、方形层叠式和方形卷绕式是动力锂电池的三种重要构型。三种制造工艺对应着锂离子电池三种构型，圆柱卷绕式对应圆柱状电池，方形层叠式对应软包，方形卷绕式对应方形。

实物图比较

圆柱卷绕式=圆柱锂离子电池

圆柱卷绕式是一种很古典的电池构型，在镍氢、3C锂离子电池上得到了长期的应用，业界也积累了大量的生产设计相关经验。圆柱卷绕式的优点包括生产效率高、一致性好等，缺点包括圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳，电池的卷绕圈数不能太多（18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右），因此单体容量较小，应用在电动汽车上时要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和管理复杂度都大大新增。

圆柱卷绕式电池的外形看上去虽然简单，但是内在设计并不简单。好的电池设计是涉及电化学、热、电、机械等诸多领域的复杂问题，对电池设计人员提出了很高的要求。举两个小例子。

例一：下图是某款18650电池的内部尺寸（单位:mm），正、负极展开后的长度相加有近1.5米，但用于引流的极耳宽度只有4mm。电池设计人员要慎重地选择极耳（位置、个数等）、电极涂层的诸多参数，以期降低极板上的电流分布不均匀，同时降低电池内部的温度分布不均匀。

例二：圆柱卷绕式电池在使用过程中的一种老化失效形式是卷绕极片发生翘曲，翘曲发生的来源可能是电极各层在循环中的体积变化步调不一致。下图是用CT拍摄的三款18650电池在存储、低倍率循环、高倍率循环后的电极形态，可以明显看到高倍率下的翘曲现象。

为了解决这个问题，一个简单的办法是在卷绕中心处加一个销轴，抑制卷芯的形变，如下图所示。

但是，销轴的引入会新增成本、重量等（电动汽车用到的电池节数是数以千计），并不一定是最佳选择。

方形层叠式=软包锂离子电池

与卷绕式是由单片的正、负极片卷绕成形不同，层叠式电池是由多层极片层叠而成的。方形层叠式的优点包括：

1)、厚度薄（受限于铝塑膜的冲压强度，一般不会超过1cm），因此散热性能很好；

2)、极片多，每片极片均有凸缘与极耳焊接在一起，极板上的电流密度分布均匀性好；

3）、薄片式，易于组成模块和电池包，空间利用效率高；

4）、铝塑膜包装的重量轻，且抽真空后与电芯贴合紧密，有利于减少无效的重量和体积。

但是，这一构型的缺点包括：

1)铝塑膜封装的长期可靠性较难保证，如下图所示：

2)电池体较软，极片间的接触阻抗可能会较大，需在模块层次或电池组层次加以解决；

3)相比卷绕式电池，生产制作效率较低。

方形卷绕式=方形锂离子电池

方形卷绕式结合了方形层叠式的外观特点（但往往厚度更大）和圆柱卷绕式的极板制作方法，具有空间利用率高、生产效率高的优点。但是，这一型电池的设计也是最为复杂的，要考虑的设计变量非常多，还要考虑壳体与电芯间的配合问题。

但由于方形锂离子电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产，所以市场上有成千上万种型号，而正因为型号太多，工艺很难统一。方形电池在普通的电子产品上使用没有问题，但关于要多只串、并联的工业设备产品，最好使用标准化生产的圆柱形锂离子电池，这样生产工艺有保证，以后也更容易找到可替换的电池。

技术特性比较分析

简单总结：

1)圆柱形电池，因为其工艺成熟，再加上受到特斯拉青睐，一直备受关注；

2)方形电池，因为其安全性好，也是主流的技术路线之一；

3)软包电池的发展，得益于消费类电子往体积小，轻薄化发展的趋势。