2023年锂电池前瞻新技术专题 叠片/卷绕是中段流程的重要环节

核心观点：

叠片/卷绕是锂电池生产的重要工序，对电池性能影响极大。锂电池封装分为软包、圆柱和方形，叠片适用于软包和方形电池，卷绕适用于 圆柱和方形电池，卷绕/叠片是锂电池生产中段的核心环节，在分切、模切、极组成型等方面均存在较大差异，其中叠片电池的裁切次数更多， 对五金模具的需求量更高。叠片电池生产效率短板持续改善，性能更优异。叠片机早期生产效率极低，但通过提升叠片速度、极片面积、极片面密度等方式，单机产能 提升约60倍。叠片电池的性能更优异：1）相同尺寸下，叠片电池极耳数量是卷绕的两倍，内阻更小；2）电池包空间利用率更优，相同尺寸 的麒麟电池空间利用率低于刀片电池；3）结构稳定性、循环寿命、安全性能、快充性能更优异。

刀片化、快充化带动叠片渗透率提升：主流叠片机有z型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机、卷叠一体机等。Z叠存在效率低、隔膜变形等 问题，卷叠一体机存在专利壁垒，国内主流发展方向是切叠一体机和热复合叠片机。22H1全球动力电池装机量前十的企业中仅3家（宁德、 松下、SDI ）依然坚守卷绕，其余7家均布局叠片：1）LG、SK坚守软包叠片；2）比亚迪、蜂巢能源、中创新航one stop电芯、国轩高科 UC电芯均为刀片+叠片方案；3）欣旺达4C超充电芯采用叠片方案。

1、卷绕/叠片简介

锂电池封装分类

圆柱电池仅用卷绕，软包电池仅用叠片，方形电池是两种工艺的重叠领域。锂电池封装方式可以分为方形、圆柱以及软包。根据GGII数据，截至2022年第三季度，方形动力电池装机量约156.47GWh，同比增长125%；软包动力电池装机量约9.32GWh，同比增长47%； 圆柱形动力电池装机量约5.99GWh，同比下降10%。 方形电池可塑性较强，成组效率高，是目前主流整车厂商的首选。但行业内生产工艺不统一，单体差异性较大。方形电池可同时应用卷绕、叠片两种工艺进行生产。

圆柱电池生产工艺最成熟，一致性较高，市场上主流型号包括1865、2170和4680。圆柱电池容量较低，结构件等分摊成本高，电芯数量远高于方形和软包电池，系统集成难度大，仅能通过卷绕 工艺进行生产。 软包电池在同容量下重量最轻，定制化程度高，界面均一性好，快充性能好。但铝塑膜依赖进口，生产成本高，行业内的生产标准并未统一，电池一致性较差。主流软包电池采用叠片工艺。

锂电池生产环节介绍---叠片/卷绕是中段流程的重要环节

锂电池生产的中段设备价值量占比30-35%，其中叠片/卷绕机占中段设备价值量70% 。锂电池的生产共分为四大工序，分别对应极片生产、电芯组装、电芯激活检测和电池封装。极片生产是锂电池制造的基础，对极片制造设备的性能、精度、稳定性、自动化水平和生产效能等有着很高的要求 ，主要分为浆料搅拌、极片涂布、极片辊压、极片分切四个步骤。在极片分切 后会根据电芯的要求分别采取制片或模切工艺，将窄极片制成适合卷绕或叠片的第一工序段半成品。

电芯组装是锂电池生产的中段环节，对精度、效率、一致性要求较高，主要包含电芯卷绕或叠片、电芯预封装以及电芯注液三个步骤，卷绕是将极片卷成极组，叠片是将极片叠成极组。根据 GGII测算，中段环节的设备采购金额占全流程设备总价值的30%-35%，其中，卷绕机、叠片机的采购金额约占中段环节的70%，是最核心的生产设备。 电芯激活检测、封装是锂电池生产的后段环节，化成和分容是其中最重要的部分。化成是对注液封装后的电芯充电进行活化，分容是在电池活化后测试电池容量及其他电性能参数并进行分级。

卷绕VS叠片---工艺差异

卷绕是通过控制极片的速度、张力、尺寸、偏差等要素，将正负极片、隔膜、胶带等原料分条后按尺寸卷成极芯。卷绕要求极片、隔膜在卷的过程中始终保持齐整，因此对纠偏技术要求较高。行业通常要求卷后正负极片和隔膜的上下偏差均小于0.5mm。国内领先企业的圆柱电芯卷绕速度能达到18m/s；方形卷绕由于要保持线速度稳定，因此变角速度较慢，目前国内领先企业的生产速度约为0.8m/s。通过卷绕工艺制成的圆柱形或方形半成品，最终会被放入对应的钢壳/铝壳形成不同形态的电芯。目前4680大圆柱电池采用卷绕工艺进行标准化生产，被特斯拉、宝马等主流整车厂商大力推广。

叠片是先根据电芯的层数要求确定极片数量，然后将正、负极片裁切成相同大小后间隔堆叠到隔膜上。通过叠片工艺制成的软包或方形半成品，最终会被放入铝塑膜或钢壳/铝壳制成软包或方形电芯。方形电池可通过叠片工艺向长刀、短刀电池发展，且目前已被比亚迪、蜂巢能源等公司应用；主 流软包电池通过叠片工艺生产。叠片电池能量密度更高、内部结构更稳定、寿命长的同时安全性更好，但目前叠片设备的生产效率较低、设备投资成本更大且产成品良率不如卷绕。国内企业目前大多采用中小尺寸卷绕机，叠 片机的比例还不高。

卷绕VS叠片---工艺差异---五金模切VS激光密切

五金模切仍是当下最主流的裁断切片方式，极片裁切边缘的质量对电池性能和品质具有重要的影响，毛刺和杂质：会造成电池内短路，引起自放电甚至热失控。尺寸精度差：无法保证负极完全包裹正极，或者隔膜完全隔离正负极极片，引起电池安全问题。材料热损伤、涂层脱落等：会造成电池内短路，引起自放电甚至热失控。切边不平整，引起极片充放电过程的不均匀性。五金模具受益于叠片技术发展；模具定期更换：模切模具每3个月更换一次，模具在使用过程中可能会出现疲劳，卷刃需要磨刀 刃，磨了十次就要更换。模具要求更高，叠片对毛刺要求更高：消费电子是5微米左右，动力电是10~15微米左右。

2、叠片效率持续提升，性能更优异

卷绕VS叠片---效率差异

生产效率与成本是叠片技术路线的核心瓶颈，目前单台叠片机/卷绕机均无法满足产线需求，均采用多台设备并行方案，成本及生产效率，卷绕机：当前主流卷绕机单台300~400万，单线10台卷绕机价值量3000~4000万，叠片机：当前普通叠片机单台~600万，单线10台叠片机价值量~6000万，叠片机产能快速速提升，通过提升1）叠片速度、2）极片面积、3）极片面密度等。

卷绕VS叠片---性能差异---极耳数量与内阻

卷绕和叠片在极耳数量和电芯内阻方面存在差异，卷绕和叠片在极耳数量和电芯内阻方面存在差异，方形卷绕电池一般有多个极组 ，假设电芯宽度为L，则卷绕电池每2L出一个负极极耳，叠片电池每L出一个负极极耳。叠片极耳数量更多，带来更小的内阻，但前提条件是相同尺寸下。不同电池的尺寸差异较大，而电芯尺寸对内阻影响极大，采用叠片工艺的刀片电池，长度达965mm，电流传递路径显著大于普通方形卷绕电池，内阻 也显著高于普通方形铝壳电池，BYD刀片电芯长度965mm，CATL卷绕电芯长度148~300mmm，138Ah叠片电池内阻≤1.8mΩ，120Ah卷绕电池内阻~0.3mΩ，138Ah电芯内阻更高。

卷绕VS叠片---综合对比

卷绕 VS 叠片优缺点对比，性能：除一致性外，叠片基本优于卷绕。叠片不存在R角问题，微观层面上材料界面均一性，极组稳定性等全面优于卷绕，但是由于极片数量繁多，工艺控制难度 大， 且易产生粉尘、 毛刺等问题一致性较差。工艺：卷绕优于叠片，但两者差距显著缩小。卷绕工艺正负极片是连续的， 叠片工艺正负极片则是片状。卷绕电池通常仅需对每片极片进行一次截断， 极片数量 少， 质量可控， 而叠片电池则需要对极片进行数次截断， 形成成百上千的小极片， 工艺控制难度大，生产成本和生产效率低下。

3、叠片渗透率有望持续提升

主流叠片机种类及其优劣势

Z型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机和卷叠一体机是当下的主流叠片机型，Z形叠片机：应用最广泛，可以通过改良机器性能提高单工位效率，同时也可以采用多工位的制作方式来提升效率。但是多工位Z型叠片机存在较复杂的极片调度 系统，整机的实际利用率较低。切叠一体机：Z型叠片的改良版本，在省去单独的切片环节基础上，工作效率良率优于Z型叠片。热复合叠片：可以分为复合卷叠机、复合堆叠机和复合折叠机。复合叠片可以保证隔膜张力均匀，没有拉伸突变，隔膜极片结合界面均匀，可以在线检测正、负 极片，隔膜的对齐度实现制造数据闭环，因而对叠片制造质量提升很有帮助。卷叠一体：设备商为德国 MANZ，享有 LG新能源的Stack & Folding专利，不对外出售。

Z型叠片机&切叠一体机

Z型叠片机的应用最为广泛，切叠一体是发展趋势，Z叠工作原理：利用主叠片台带动隔膜呈Z字型前后往复运动，运用机械手将正负极片精准叠放在主叠片台的每一层隔膜上。在叠放极片到达设定数后，停止叠 片，完成尾卷、贴胶，并自动下料到下一工序。Z叠优势：叠片机单机价格较低，毛刺较小，制成的电芯能量密度较高，适合大电芯生产。Z叠劣势：隔膜易变形，导致隔膜的孔隙率不一致，降低良率；叠片机工作连续，生产过程中无法对极片进行检测，只能在堆叠结束后对电芯进行性能测试。切叠一体： Z字型叠片机上的基础上，整合模切机、贴胶热压机。取消了叠片裁切后的转运工序，减少了极片的磕碰，避免极耳出现翻折的问题，提高了良率； 整体工作效率较Z型叠片也有所上升。缺点和Z型叠片类似，存在隔膜发生形变的问题。

热复合叠片机

热复合叠片机产成品良率更高，是国内电池厂商的未来布局机型，工作原理：将带极耳的正极卷料、负极卷料和隔膜同时进料，通过切刀裁切成 所需尺寸的单个极片、隔膜并进行组合。组合体经辊轮作用送入加热系统，并 在设定好的温度下进行烘烤。对烘烤复合物进行热辊压后切片形成单个叠片单 元， 通过机械装置将单个叠片单元堆叠在一起，最后对叠片堆进行热平压，形 成极芯 。优势：1）实现了正极、负极和隔膜一次性完全切片堆叠，避免Z型叠片机的隔 膜褶皱，提高了极芯的质量；2）单方向运输，随时检测极片隔膜复合物的质 量，3）隔膜的张力稳定、孔隙率一致，极片的界面平整，提高产品良率。劣势：采用的制成工序更多，工艺要求更高；复合单元在转运堆叠的过程可能 出现隔膜翻折，导致电芯结构出现问题。

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