Nel processo di assemblaggio delle celle delle batterie agli ioni di litio, le tecniche sono principalmente due: avvolgimento e impilamento. L'istituzione di queste due tecnologie è strettamente correlata ai seguenti punti tecnici chiave: utilizzo dello spazio, ciclo di vita, efficienza produttiva, e investimenti nella produzione di celle di batterie.
Batterie agli ioni di litio può essere diviso in soft pack, piazza, e batterie cilindriche in base alle modalità e alle forme di confezionamento. Dal punto di vista del processo di stampaggio interno, i soft pack e le batterie quadrate possono essere avvolti o laminati. Tuttavia, le batterie cilindriche possono essere avvolte solo a causa della loro curvatura ovunque.
Tra queste due tecnologie, il processo di avvolgimento ha tempi di sviluppo più lunghi e presenta i vantaggi di una tecnologia matura, basso costo, e alta resa. Ma con lo sviluppo della tecnologia dei veicoli elettrici, il processo di impilamento è gradualmente diventato una stella nascente grazie al suo elevato tasso di utilizzo dei volumi, struttura stabile, bassa resistenza interna, e ciclo di vita lungo, e si distingue rispetto al processo di avvolgimento. Sebbene il processo di laminazione possa richiedere costi di investimento iniziali più elevati per alcuni aspetti, i suoi vantaggi prestazionali a lungo termine e i miglioramenti in termini di efficienza ne fanno un’importante direzione di sviluppo per la futura tecnologia di produzione delle batterie.
Sommario
Cos'è la tecnologia di avvolgimento?
Il processo di avvolgimento prevede l'avvolgimento del foglio dell'elettrodo positivo tagliato, separatore, e il foglio dell'elettrodo negativo in una dimensione e forma predeterminate, simile a un rotolo di gelatina a batteria. Questo processo utilizza una specifica macchina avvolgitrice per avvolgere e compattare in sequenza il materiale attraverso un ago di avvolgimento, formando celle di batteria cilindriche o quadrate. Successivamente, queste celle della batteria sono state collocate in corrispondenti gusci metallici per completare la costruzione iniziale della batteria.
La capacità di progettazione della cella della batteria determina la dimensione della bobina di taglio e i parametri della bobina di avvolgimento.
Cos'è la tecnologia delle batterie impilate?
La tecnologia delle batterie impilate è il processo di taglio dei fogli di elettrodi positivi e negativi a dimensioni specifiche in base ai requisiti di progettazione, e quindi impilare il foglio dell'elettrodo positivo tagliato, separatore, e il foglio di elettrodo negativo in sequenza per formare una struttura multistrato. Questa struttura viene successivamente divisa in più piccole celle della batteria, che vengono infine impilati e assemblati in singole celle complete attraverso processi di saldatura e imballaggio.
Questo metodo può migliorare l'utilizzo dello spazio della batteria e ottimizzarne le prestazioni complessive.
Confronto tra il processo di impilamento e avvolgimento della batteria
| Impilamento | Avvolgimento | |
| Densità energetica | Alto. C'è un tasso di utilizzo dello spazio più elevato. | Inferiore. A causa dell'influenza della forma e dell'angolo, più grande è lo spazio, minore è il tasso di utilizzo. |
| Stabilità strutturale | Più alto. La struttura interna è stabile, e la velocità di reazione è relativamente bassa. | Inferiore. La velocità di reazione interna di carica e scarica non è uniforme. |
| Sicurezza | Alta sicurezza. La distribuzione dello stress è più coerente. | Inferiore. Potenziali problemi che potrebbero influire sulla qualità di utilizzo, come la perdita di polvere, espansione polare, e allungamento del diaframma, tendono a verificarsi nel punto di piegatura. |
| Maturità del processo | Basso. Esistono numerosi pezzi di polarizzatore, e il costo di investimento iniziale dell'attrezzatura è elevato. | Alto. Tecnologia matura e bassi costi di investimento. |
| Ciclo di vita | Più a lungo. Bassa resistenza interna, elevata stabilità del sistema chimico della batteria, e lunga durata. | Più corto. È soggetto a deformazioni nelle fasi successive di utilizzo, che influisce sulla durata del ciclo della batteria. |
| Adattamento alla ricarica rapida | Facile da adattare. Collegamento parallelo multipolare, bassa resistenza interna, può completare la carica e la scarica ad alta corrente in breve tempo, e ha prestazioni della batteria elevate. | Scarsa adattabilità. Durante il processo di carica e scarica, il tasso di degradazione delle sostanze attive alle alte temperature accelera, con conseguente riduzione delle prestazioni della batteria. |
Diversi tipi di batterie utilizzano processi di produzione diversi:
Celle della batteria soft pack: Vengono utilizzate entrambe le tecnologie, a seconda del produttore della cella della batteria. La tecnologia di impilamento viene spesso utilizzata perché la sua forma flessibile è adatta a strutture impilate.
Celle a lama: Progettato e prodotto utilizzando la tecnologia di impilamento.
Cella quadrata: Sono disponibili sia processi di impilamento che di avvolgimento. Attualmente, il mercato è dominato principalmente dal processo di avvolgimento, e la tecnologia sta passando allo stacking.
Cella della batteria cilindrica: Come prodotto maturo, ha sempre adottato il processo di avvolgimento.
Queste scelte di processo riflettono una considerazione globale tra la progettazione della batteria, efficienza produttiva, e requisiti prestazionali della batteria.
Le celle della batteria agli ioni di litio che utilizzano la tecnologia di impilamento presentano vantaggi rispetto alla tecnologia di avvolgimento
Lo stack di celle ha una densità energetica della batteria più elevata
Le batterie agli ioni di litio formate attraverso la tecnologia di impilamento hanno una maggiore densità di energia, struttura interna più stabile, maggiore sicurezza, e una maggiore durata.
Il processo di avvolgimento ha bordi e angoli curvi, con conseguente minore utilizzo dello spazio rispetto alla batteria stack. Tuttavia, la batteria al litio impilata può utilizzare completamente lo spazio angolare della batteria. Perciò, quando il volume di progettazione della cella è lo stesso, la densità energetica della cella formata dal pacco batterie è maggiore.
Rispetto alle batterie avvolte, la densità energetica delle strutture impilabili può essere aumentata di circa 6%.
Struttura interna più stabile
Rispetto alle batterie avvolte, non vi è alcun problema di sollecitazione interna irregolare agli angoli dello stack batteria. Durante l'uso ripetuto della batteria, le forze di espansione di ciascuno strato sono simili. Quindi, anche se il processo di impilamento potrebbe espandersi durante l'uso della batteria, la forza di espansione complessiva di ciascuno strato è simile, quindi l'esterno della batteria può rimanere piatto e anche la stabilità all'interno della batteria è elevata.
Durante l'uso di batterie avvolte, mentre gli ioni di litio fluiscono e si incorporano, sia gli elettrodi positivi che quelli negativi si espanderanno. Agli angoli del processo di avvolgimento, lo stress interno degli strati interni ed esterni non è coerente. Ciò causerà una deformazione ondulata della batteria del Jelly Roll. Questa deformazione può portare a un deterioramento delle prestazioni dell'interfaccia della batteria, distribuzione irregolare della corrente, e instabilità accelerata della struttura interna della batteria.
Maggiore sicurezza
Il materiale di rivestimento su entrambe le estremità dell'avvolgimento è soggetto a flessioni e deformazioni significative, e l'area di piegatura è soggetta a perdita di polvere, sbavature, e altri fenomeni. Nei casi più gravi, potrebbe causare cortocircuiti interni alla batteria, portando ad una generazione di calore incontrollata.
La piastra dell'elettrodo e il diaframma sono soggetti a sollecitazioni irregolari, con conseguente comparsa di rughe. L'espansione e la contrazione della piastra dell'elettrodo e lo stiramento del diaframma possono causare la deformazione della cella della batteria. La cella della batteria è sottoposta a sollecitazioni uniformi e non vi sono problemi di flessione su entrambe le estremità. In questo modo, la batteria stack ha una sicurezza maggiore.
Durata di vita più lunga
Come è noto, quando la tensione e il tempo sono costanti, maggiore è la resistenza, meno calore viene generato. Minore è la resistenza, meno calore viene generato.
Le pile di batterie hanno un numero relativamente elevato di orecchie unipolari, che è il doppio di quello delle batterie avvolte.
Più orecchie polari ci sono, minore è la distanza di trasmissione elettronica e minore è la resistenza. Perciò, la generazione di calore dell'unità batteria stack è ridotta. Tuttavia, le batterie avvolte sono soggette a deformazione, espansione, e altre questioni, che possono influenzare le prestazioni della batteria.
Quindi rispetto alle batterie avvolte, Le batterie al litio impilate hanno una durata di vita relativamente più lunga.
Gli svantaggi della batteria stack rispetto alle batterie avvolte
Elevato costo di investimento
Il numero di macchine plastificatrici necessarie per una linea di produzione è correlato al numero di celle della batteria.
Calcolato ad un prezzo di 3-3.5 milioni di yuan per unità per una singola linea di produzione, il costo dell’investimento iniziale è troppo alto. E la tecnologia delle batterie avvolte è matura, e anche il prezzo corrispondente è relativamente basso.
Tasso di rendimento basso
La tecnologia di taglio per le batterie avvolte è matura, e ogni cella della batteria deve essere tagliata solo una volta per i poli positivo e negativo, con difficoltà relativamente bassa. Quindi anche il tasso di qualificazione del prodotto è corrispondentemente elevato.
La batteria stack ha dozzine di piccoli pezzi per cella, ciascuno con più superfici di taglio, rendendo difficile il controllo della qualità del prodotto. Quindi il tasso di rendimento del prodotto è basso.
Difficile da controllare
È ancora una questione di tecnologia di processo. La batteria avvolta ha solo due espansioni polari, e ogni batteria necessita solo di due saldature a punti, che è facile da controllare.
Le batterie impilate hanno un gran numero di elettrodi impilati, che può facilmente portare alla saldatura virtuale. Perché tutte le espansioni polari devono essere saldate a punti su un punto di saldatura per il fissaggio, l'operazione è difficile.
Il processo di avvolgimento controlla la velocità, tensione, eccetera. dei pezzi dell'elettrodo per avvolgere gli elettrodi positivi e negativi tagliati, così come il separatore e altre parti insieme. Questa caratteristica rende il processo di avvolgimento in grado di produrre solo batterie al litio con forme regolari.
Il processo di impilamento della batteria consiste nell'impilare alternativamente il foglio dell'elettrodo positivo, foglio di elettrodi negativi, e separatore attraverso una macchina per formare una cella di batteria impilata. Questo processo può produrre batterie al litio con forme regolari o irregolari, con maggiore flessibilità nella progettazione e nel funzionamento.
Come scegliere un percorso tecnico? Impilamento o avvolgimento？
Dal punto di vista dell’efficienza produttiva e della resa, la crescita in pila è la più veloce. Con lo sviluppo della tecnologia delle batterie sovrapposte da parte dei produttori di celle batteria e la continua innovazione tecnologica da parte delle aziende produttrici di batterie, il mercato si sta muovendo verso la progettazione di super stacked + soluzioni di batterie a lama. Si può considerare che questa parte ha il potenziale maggiore.
Dal punto di vista della direzione di sviluppo tecnologico adottata dai diversi tipi di batterie, l'uso della tecnologia di impilamento per le batterie soft pack sta diventando una tendenza e inarrestabile.
La standardizzazione del processo di avvolgimento richiede un miglioramento della velocità di produzione delle batterie a cella singola. Le celle quadrate continueranno a utilizzare la tecnologia di avvolgimento senza aumentare le dimensioni. Ma se si tratta di una dimensione laminata a conchiglia quadrata, dovrebbe essere utilizzato il processo di impilamento.
Per batterie di consumo, oltre alla capacità e alle prestazioni della batteria, i produttori presteranno maggiore attenzione al miglioramento dell’efficienza di utilizzo. Perciò, c'è una forte domanda di tecnologia di avvolgimento.
Per batterie di potenza, i moduli di grandi dimensioni e le celle della batteria di grandi dimensioni saranno la tendenza preferita. Il processo di impilamento può sfruttare meglio i suoi vantaggi in termini di efficienza, affidabilità, e altri aspetti.
La resistenza interna delle batterie a spirale è relativamente elevata, e al fine di ridurlo significativamente, ci sono requisiti elevati per la capacità delle apparecchiature e il controllo di qualità. Ciò aumenterà anche i costi.
La batteria stack ha una struttura piatta, bassa resistenza interna, ed elevata efficienza di utilizzo dello spazio. Le prime dieci aziende produttrici di batterie al litio nel mondo, rappresentato da BYD, tutti aderiscono al percorso di impilamento.
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