图为宁波久钜智能装备有限公司董事长朱效铭作主题演讲

　　朱效铭：今天跟大家分享的是“大圆柱电池结构和材料的实践”。

　　(见PPT)这是我的个人简介，我做电池大概有40年的时间了，在电池行业还是做了一些工作，曾经在碱性电池领域里面有一定的贡献，我主导的项目获得过国家科技进步二等奖。

　　下面跟大家分享一下关于大圆柱方面的几个实践。

　　大圆柱看上去结构比较简单，但是它的电池设计是比较关键，因为关系到安全性、密闭性以及能源利用率、生产效率，这些都有直接的影响。作为一个全新的产品，现在大多数的企业都是在比较保密的情况下进行的，公开的数据不多，我这里根据一些公开资料的介绍和我个人的实践，跟大家分享一下。

　　这是一个小视频，介绍我们做的一些设计。

　　(播放视频)

　　大圆柱电池跟传统的圆柱电池有很大的区别，目前大多数的企业还是在研发设计中，真正量产的不多，包括特斯拉、松下，他们现在也基本上都是处于中试阶段。最近特斯拉也有好几个产品推出来，其实它在结构方面还是在做一些改进，因为二代相比一代的结构还是有点不一样的。

　　从结构要求来说，一是要满足它的性能要求，包括大电流输入、充放电、改善热失控，提高电池的容量。

　　第二是在生产工艺上要满足工艺上的要求，其实这一点很重要，它的结构很简单，刚才视频大家也看到了，它的结构就是几个零件，就是正负极、电芯极耳、集流盘、集流柱、正极盖、负极盖，就这么几个零件。但是这几个零件的组合和它结构的变化，跟工艺是有很大关系的。目前来说，大圆柱全极耳有很多工厂在生产，全极耳的工艺，它真正的输出还是有极耳的，特斯拉推出了一款新的结构以后，国内的企业也都在向这方面靠拢，但是国内的比亚迪、比克、亿纬、国轩，他们都在做自己的大圆柱方面的结构，大家各有千秋，都有不同的地方。在设计当中要满足工艺要求也是很要紧的，同时又要提高生产效率，因为生产效率的提高对电池的成本会有更大的影响。

　　第三是要满足自动化要求，结构件的合理设计直接影响生产线的自动化，因为一个零件如果设计不合理，它自动化程度做不到，就像我们现在32140、34140这种国内在做的大圆柱，它有极耳的，有极耳的电池严格来说在自动化程度方面是有些欠缺的。

　　第四是要满足成本的要求，如果结构件比较复杂，制造成本回比较高。

　　第五是要满足安全性的要求，比如说防爆阀结构的设计、部位的设计，直接影响电池的安全。目前特斯拉的电池要求负极采用防爆阀，国内有些企业采用的是正极输出防爆阀，这些结构对汽车里面影响比较大，因为汽车里面需要负极装在底盘下面，假如说防爆的话，它就直接冲到下面去，如果在上面的话，它可能会对整个电池的安全性有影响，所以它在安全性方面是有严格要求的。

　　第六是要满足回收、利用和环保的要求。现在锂电池回收这一块也是比较大头的，如果结构比较复杂，以后拆解不太容易，就会导致回收的成本比较高。

　　(见PPT)这是特斯拉的电池结构，看上去就很简单，正极极柱、壳体正极集流盘、正极集流盘、负极端盖，这是很简单的，现在很多电池企业都在做这方面的研究，做到最后在工艺上也会有很大的差别。

　　(见PPT)这是它的二代，相比一代没有什么大的区别，就是在负极集流盖那个地方，之前采用的是辊槽工艺，现在采用的是焊接工艺。

　　这是我们的一款结构，当然我们公司也有好多款结构，因为我们公司除了做电池生产线之外，我们在电池结构方面也做了一些探索，目前可以帮助同行业在这方面发展。

　　这是我们公司曾经做的一款4680大圆柱电池。

　　这是现在32140、34140结构的电池，它也算是大圆柱，但是它的结构跟4680还是有些类似的，也是采用极耳输出的方式。

　　这是国内有几家在做的两头输出的结构，两头输出目前大多数用在两轮车上面，因为两头都要焊接，它的焊接Pack成本比较高，特斯拉的电池在正极端和负极端在一个平面上，Pack的时候成本会很低。

　　下面是从结构和材料方面跟大家分享一下，外壳目前来说锂电池大圆柱分为单头开口和两头开口的结构，一般来说直径比较短、高度比较低的采用单头开口的结构，比较长的一般采用两头开口，因为长了以后，它的外壳冲制成了问题，钢壳的拉伸比是有极限的，铝壳虽然拉伸比较好，但是它拉伸也是有极限的，所以一般会采用两头的。假如说高度比较高的，国内有46250这种圆柱，如果要超出它的冲制外壳比例，我们会选择两头开口的方式。

　　外壳的材料目前来说就是用铝的，因为铝的导电性能比较好，散热性能比较好，冲刺性能也比较好，它的缺点就是材料成本相对来说比较高。另外一种材料就是用深冲钢带，大家在18650上都看到过，这种材料的成本相对来说比较低，而且钢壳耐高压情况比较好，但是它的导电性能相对来说比较差。

　　这是电芯全极耳的结构分析，国内国外现在有两种，一种是前面那种极耳的切割结构，就是留白以后，在卷绕之前先把它切好;另外一种是没有切的结构，这两种结构各有千秋，目前来说国内的揉平没有很好地解决。国内现在大多数采用机械揉平，对极耳的刮擦比较严重，所以会产生一些碎屑，碎屑可能会直接影响电池的性能。特斯拉其实也没有很好地解决这个问题，所以它采用切的方式，切了以后用压平的方式来做，它的碎屑情况会好一点，但是它也有一个问题，它对叠起来以后的厚度要求比较高，因为它在焊接的过程中不太好焊，容易穿透。揉平有一个好处，它的焊接效果相当好，揉平以后很少产生焊穿的现象，焊接的牢固度各方面都会比较好一点。这两种工艺各有千秋，我们公司目前也研发了一款无声揉平的工艺，揉平的方式跟现在不一样，所以我个人认为，可能揉平的方式焊接比切的效果好一点。当然这也要被大量生产以后才能获取数据，来判断到底哪个工艺好。

　　正极集流盘目前大多数也是采用铝，一般是用纯度比较高的材料来做。

　　下面一个是特斯拉的正极集流盘，一个是国内大圆柱带有极耳的集流盘。从这个结构设计理念上来说，这两个集流盘的设计其实都存在着一个比较大的问题，就是自动化程度比较难实现。你看它中间的焊接，特斯拉的焊接就是在中间像一朵花的片片里面焊接，自动化是做得到，但是效率会大大降低。第二个也是一样的，它有一个极耳，而且焊接要在两个规定的范围内焊接，从设备角度上来说是能实现，但是它的效率也是会大大降低。

　　我们公司目前采用的极耳也是能够在全方位、全角度焊接的理念来做，在不久的将来我们会推出我们的集流盘分享给业内。

　　这是负极的集流盘结构和材料，它的材料基本上都是采用T2铜，还有的是采用其它焊接比较好的材料，以铜为主。但是这两个集流盘的设计也是跟正极集流盘一样，也存在这些问题，就是自动化程度在设计上存在一些缺陷。

　　这是一个正极集流柱的设计，目前国内的结构跟特斯拉的结构基本上是差不多的，都采用铝，通过铆接或者超声波焊接的方式来固定。

　　这是负极结构的材料，负极结构底盖大多数都采用铁和不锈钢来冲，这个地方的设计也有一些要求，前面两个是特斯拉的材料设计，它可能会比较厚，因为它中间平面跨度的地方比较大，后面两个是我们自己的结构，前面一个是采用辊槽结构的，后面两个是采用焊接结构的，中间的加长筋的设计也很要紧，因为圆柱电池最薄弱的环节就是它不是在钢壳部分，钢壳部分承受的压力是完全够的，它就是两个平面，里边的压力大的时候两个平面会鼓起来，所以它的强度要求特别高。一个是增加它的厚度，第二个是加长筋的设计，这个看上去很简单，加长筋要在合理的范围内加长，一条不够，可能会采用两条加长筋。

　　这是一个密封件，国内这一块推出的也很多，在18650上采用的PP材料比较多，国内现在也在试制PFA这种材料，它的性能是相当优越的，但是它材料太贵了，所以一般的厂家用起来成本比较难接受，还有它的注塑条件比较苛刻，所以这两种材料目前用得比较多。

　　下面那个是安全阀的设计，特斯拉二代的安全阀，我判断大概就在第一个的范围内。第二个是国内的安全阀的设计，两头铝的大圆柱的安全阀。第三个是我们自己研发的结构，国内也有人在用。

　　这三个结构从设计要求上来说，特斯拉的结构也是相当优秀的，但是它有一个问题，它的安全阀这个部位在整个平面上是最薄的环节，假如说这个负极底盖是0.5的厚度，安全阀部分会冲压成0.2甚至是更低的厚度，在内压增加的情况下，它最薄的地方就打破了，就泻压了。第一个的缺点在什么地方呢?一般冲压要把等厚的冲压变薄，需要冲好几道，冲击的成本比较高。第二个结构，采用的是铝的薄片焊上去的，这个铝的薄片非常薄，底盖可能是1毫米，它大概就是0.1毫米，就是这样比较薄的焊上去的，或者是在上面冲得比较薄。我们的结构是比较适合不锈钢结构的，因为你看到它的防爆钩的设计在电池的内部，采用不锈钢是比较合适的。如果采用铁就不行，如果后面冲刺一道防爆钩，那你必须要处理，处理了以后，它的防爆压力就会变化，所以就变得不可控。如果采用铁的话，我们的防爆阀会冲在正面，然后在正面涂上防锈胶来解决。因为铁是直接面对电池内部，对电池的质量还是会有影响。

　　还有一个是密封胶，目前来说密封胶在这方面的应用也是有人在做的，一个是要耐腐蚀，还要耐高温，还有固化要快，另外黏性要好，工艺性要好，要适合量产线的要求。

　　还有就是注液孔的设计，看上去这个注液孔，特斯拉的是设计在中心位置的，国内之前的大圆柱注液控是设计在偏心的，偏心和中心有什么区别呢?这个主要是在圆柱电池的特性里面，对自动化程度是一个比较优秀的设计，一般我们都会选择在中心轴，因为圆柱电池只要外壳定位，就很容易找到它的中心。你如果在偏心，要用电器的设备系统判断这个孔的位置在哪里，自动化程度就大大下降。以后在设计过程当中，这些都是需要注意的，作为圆柱电池，设计在中心孔是比较好的。

　　还有一点，我们的注液孔设计在中心部位，还有另外一个考虑，就是正极集流柱和正极集流盘的焊接，我们是通过中心孔周边的地方去焊接，所以我们解决了正极集流柱和正极集流盘焊接的一个比较大的难题，特斯拉也不是采用这种方式来做的，从它的解剖情况来看，它也是通过超声波焊机，它能焊牢，但是效率比较低，要达到200、300PPM，需要多少焊机去焊这个东西?所以在设计上还有一些地方需要改进，我看到国内有些企业也是在做扭矩焊，我觉得在效率上会存在一些问题。

　　目前我们公司推出了一个概念，采用一种柱解的概念，目前这个技术我不在这里展开讲，因为时间到了。以后如果大家有需要，可以找到我们公司，我们可以做一些技术交流，我个人也愿意把我们的工艺技术跟电池行业分享，谢谢大家。

(以上为演讲速记，未经演讲者审阅。)