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【摘要】 锂离子电池是现阶段新能源汽车中应用最广泛的电池。以系统梳理圆柱形锂离子电芯研究现状为目的，阐述了圆柱形电芯的结构特点和生产工艺原理，对比分析出圆柱形电芯具有一致性好、安全性高、成本低的优点，阐述了小圆柱电芯的发展历程和大圆柱电芯的发展和应用现状，并对其未来发展趋势进行了展望，以期为新能源汽车电池技术的持续突破提供参考。
关键词：新能源汽车；圆柱电芯；电芯结构；电池生产工艺；应用现状
0 引言
近年来，国家和产业界已将电动汽车技术研究和成果转化确立为核心发展重点，旨在加速汽车工业转型升级进程[1-2]。动力电池从早期的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池，逐步演进至当前主导市场的锂离子电池以及未来有望上市应用的钠离子电池。受限于技术成熟度，动力电池技术在发展初期并未获得广泛关注，但随着国家政策的倾斜和扶持，汽车电动化已经成为我国乃至全球汽车发展的主要方向[3-5]。
与传统的铅酸、镍镉和镍氢电池相比，锂离子电池具有能量密度高、安全性好以及寿命长的优点，是目前电动汽车领域应用最广泛的动力电池[6]。从化学体系分析，三元锂和磷酸铁锂是当前动力电池电芯材料的2 个主流方向[7]。其中，三元锂的能量密度更高，但使用寿命和安全性较差。而磷酸铁锂寿命更长、安全性更强，但其在能量密度方面略有不足。因此，未来研发的重点在于通过改进正、负极材料和电解液，更有效地平衡能量密度与安全性能之间的固有矛盾。按封装形式不同，可将锂离子电芯分为圆柱形、方形和软包3 种类型。圆柱电芯因其尺寸标准化程度高，具备生产效率高、成本低的优势，是目前工艺最为成熟的封装形式，长期被特斯拉等主流车企采用[8]。
展开剩余91%本文聚焦于圆柱形锂离子电芯，阐述了其结构和工艺特点，系统分析了电动汽车用圆柱形电芯的发展历程及应用现状，并对未来发展趋势进行预测。
1 圆柱形电芯结构与工艺
圆柱形锂离子电芯的结构通常包括正极、负极、隔膜、电解液4 种主材，以及外壳、盖帽、垫片、安全阀等辅材。其中，盖帽为电芯正极，外壳为电芯负极，一般采用镀镍钢板材质，其结构如图1所示[9]。
注：正温度系数效应（Posive Temperature Coefficient，PTC）
圆柱电芯的生产工序，可分为极片制备工段、电芯装配工段和注液后工段[10]，如图2所示。
极片制备主要包括匀浆、涂布、辊压、分切和制片5个工序。在匀浆工序，通过搅拌的方式将电极材料、导电剂等物料充分混合，得到均匀稳定分散的浆料[11]。随后进入涂布工序，将浆料涂覆在正极或负极集流体上，再通过加热烘干溶剂得到极片。极片涂布的质量与设备选择和集流体材料相关。通过控制涂布设备的喷嘴宽窄、风量大小以及温度分布，结合表面状态观察和面密度测试监控涂布状态，可以保证极片干燥充分、无龟裂卷曲，得到质量较好的极片[12]。在集流体材料方面，传统的铝箔、铜箔在实际生产中易产生掉粉的现象，为了改善该问题，涂炭箔、腐蚀箔等材料逐步投入市场应用，有助于改善电芯的安全性和功率特性[13]。涂布完成后，极片通过辊压机压实控制极片厚度，确保辊压后的极片符合工艺参数要求。接下来采用分条机将极片裁切成单电芯需要的宽度，除极片尺寸外，需要重点管控裁切后极片边缘的毛刺大小，通常需小于20 μm[14]。最后，在制片机上焊接极耳，粘贴绝缘胶包覆裸露的极耳和集流体，完成极片的制备工作。
在电芯装配工段，卷绕是将正负极极片与隔膜组装成圆柱形卷芯的核心工序，对电芯的安全性和电性能具有较大影响。卷绕对工艺精度的要求较高，需保证隔膜完全包覆负极极片，负极完全包覆正极极片，否则极易使正负极接触造成电芯内部短路，带来安全隐患。卷芯入壳后，通过底焊将负极耳与钢壳连接，此时钢壳带负电，再通过滚槽对壳内卷芯进行限位，此过程需严格把控滚槽高度，不能破坏卷芯[15]。随后经过烘烤、注入电解液和焊端盖工段，进入电芯装配的封口工段。封口是将外壳和盖板密封，使电芯内部形成一个完全密闭的电化学系统，在该工段需要保证工艺稳定以获得密封性完好可靠的电芯。
电芯装配完成后，对电池进行清洗，除去外壳表面残留的电解液，防止腐蚀钢壳。为了使生产的电芯可以正常充、放电，需要进行化成工序，激活电芯电性能。通过选择合适的化成电流、电压和温度等，可以有效优化和提高电芯性能[16]。最后通过老化和分选等工序筛选出压降、内阻和容量均合格的电芯产品。
在化学体系和材料相同的前提下，与方形和软包电芯相比，圆柱电芯的生产工艺成熟度更高，具有产品一致性高、安全性强和成本低的优点。
（1）产品一致性高。当前市面上方形和软包电芯的尺寸具备多样化的特点，电压容量等参数不统一且定制化产品居多，导致不同厂家生产电芯的工艺存在明显差异。而圆柱电芯的电芯尺寸固定，在产品技术和生产工艺方面均比较成熟，可以确保产品具有较高的良品率。在化学体系相同的条件下，圆柱电芯具有更高的结构一致性，有利于电池组的管理和电池性能的发挥。同时，将其应用于动力电池，有助于提升整车温度一致性与安全性[17]。
（2）安全性强。圆柱电芯的外壳材质一般为钢壳，硬度较高，在受到外界碰撞的情况下，可以在一定程度上保护电芯内部材料不被破坏，安全性更好，而方形和软包电芯通常采用铝壳或铝塑膜封装，铝材质的机械强度差，容易发生破损，更易导致安全事故的发生[18]。另外，由于圆柱电芯的尺寸较小，可将每个电芯的能量控制在较小的范围内。与大尺寸的电芯相比，即使电池组的某个电芯发生故障，也能降低故障带来的影响[19]。随着圆柱电芯生产工艺水平的提升和发展，其安全性能也在不断提高。
（3）成本低。圆柱电芯产品在结构设计、生产制造工艺、制造设备和成组技术方面均具有较高成熟度，故其运行成本和维护成本较低[20]。除此之外，由于其生产规模大且生产效率高，也有效降低了生产成本。
在性能方面，方形和软包电芯在边角处化学物质的活性较差，长期循环使用对性能影响较大，而圆柱电芯因其中心向外部各方向的距离相同所以不存在该问题，且散热效果更好。表1列出了圆柱电芯、方形电芯和软包电芯的特点。
表1 3种结构电芯特点
目前，按照电芯尺寸，可将市面上常见的圆柱电芯分为小圆柱和大圆柱。典型的小圆柱电芯包括18650 电芯和21700 电芯（图3），其名称的前2 位数字代表电芯直径，后2 位数字指电芯高度，最后一位“0”指代圆柱电池（如有）。大圆柱电芯以46 系列的4680电芯为代表（图3），另外还包括34系列的34110电芯、34120电芯以及40系列的40135电芯等。圆柱电芯呈现出大尺寸化的趋势，且随着结构和材料的创新性发展，电芯性能得到了显著提升，接下来本文将对圆柱电芯的发展历程和应用现状进行分析。
2 小圆柱电芯发展历程
2.1 18650电芯
18650 电芯于1994 年起源于日本索尼公司，发展至今，其产品安全性、一致性和生产工艺均达到了较高水准，被广泛应用于数码产品领域。
特斯拉是最早使用18650圆柱电芯的电动汽车品牌，2008 年上市的Roadster 是特斯拉第一款量产使用锂电池的纯电动汽车，其搭载的电池包由松下公司生产的6 831节18650圆柱形电芯组成，串并联方式为每69节并联为一组，每9组串联为一层，最终串联堆叠成11 层。Roadster 电池电量为53 kWh，单次充电的行驶里程超过320 km，最高车速能达到201 km/h，效率高达92%，在续驶里程、效率以及性能等方面均表现出色[21]。
随着电动汽车的蓬勃发展，18650 电芯受到新能源电动汽车主机厂广泛关注，从2019年起被越来越多的汽车品牌用作动力电池。2019 年亮相的零跑LPS01采用比克生产的18650-2.75 Ah 电芯，整包电量为36 kWh，最大续驶里程可达到360 km，在快充模式下充电48 分钟电量可达80%以上。2020 年的小鹏G3 400 采用联动天翼生产的18650 圆柱电池包，整包电池组电量为50.5 kWh，新欧洲驾驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）续驶里程达到401 km。Tesla采用圆柱电芯作为动力电池，旗下多款车型搭载18650 电池包[22]。Model S 采用7104 节产自松下的18650 圆柱电芯，电池组电量达到了85 kWh，整车续航提高至500 km。2019 款Model X 同样搭载松下18650 电池包，整包容量为100 kWh，百公里加速时间为4.6 s，续驶里程为575 km。
18650 电芯尺寸较小，通常需要上千颗电芯成组才能实现纯电乘用车百公里续航，成组效率较低。目前已逐渐转向双轮电动车、电动工具、移动电源市场发展。未来，随着技术的进步和新材料的应用，18650电芯有望在这些领域继续保持竞争力，并逐步拓展到更多应用场景。
2.2 21700电芯
随着近年来动力电池的快速发展，用户对电池的容量、充电耗时、能量密度等性能提出了更高的要求。尽管18650 电芯的技术成熟，但受限于自身体积，容量提升的空间较小，应用前景受到限制，且暴露出成组复杂、产热量高以及无法快充的问题。基于此，圆柱形电池开始向大型化发展，21700 电芯应运而生。2017 年1 月4 日，特斯拉宣布与日本松下联合开发的新型21700 圆柱电池开始量产，21700 电池尺寸为直径21 mm、长度70 mm、质量约为68 g、容量为4～5 Ah。该电芯能够在体积和容量之间取得更好平衡，从而取代小尺寸的18650 电芯[23]。21700 电芯不仅保持了18650 电芯的高可靠性和稳定性，且在其他方面也有较大提升，如电芯容量提升35%，能量密度提升约20%[24]。另外，由于电芯体积增大、容量提升，达到相同能量所需的电芯数量可减少约1/3，在降低电池系统管理难度的同时减少了电池包结构件和电气连接件的数量，提高电池内部空间的有效利用率，从而使得电池包质量下降约10%左右，成本下降约9%[25-26]。
近年国内外电池企业积极布局21700 电池，国外圆柱电芯生产企业主要包括松下和三星，国内著名的代表厂商主要包括比克电池、亿纬锂能、力神电池以及猛狮科技等。松下为特斯拉Model 3 供货21700 三元锂离子电芯，单体能量密度约为250 Wh/kg。以国产Model 3 标准续航后轮驱动升级版为例，其整车电量为52.8 kWh，NEDC续航为455 km，在快充模式下从电量30%充到80%仅需35 分钟。与Model S 相比，百公里耗电量大幅降低，这主要归功于电芯的升级和优化。力神电池的21700 产线于2017 年开始投产，是国内率先实现量产的厂家，为梅赛德斯AMG 车型供货3.0 Ah 高功率21700 电芯。江淮iEV6E 搭载力神4.5 Ah 的21700三元锂电池，整车电量为41.5 kWh，续航达到310 km。比克电池于2022 年将21700 电芯容量提升至5.3 Ah，突破国内21700 电芯5.0 Ah 的容量极限。21700-5.3 Ah 电芯在正负极材料上进行了创新应用，正极材料中镍含量提升至Ni90，同时降低了钴含量，负极材料在碳中掺入高首效硅，实现正负极效率的高度匹配[27]。比克21700-5.3 Ah 电芯主要面向高端双轮电动车和智能家居领域。在动力电池领域，比克为零跑S01 智能进化车型批量供货镍钴锰酸锂三元锂（lithium Nickel Cobalt Manganese oxide，NCM811）电池的21700 电芯，续航可达460 km。亿纬锂能同样致力于通过创新设计提高21700 电芯的性能，其自主研发的21700 40PL 产品，基于全极耳结构设计有效降低电池阻抗，使电芯功率得到提升，可应用于工业级工具和各种电动工具，满足小型化和轻量化的应用需求。
21700 圆柱电芯在18650 电芯的基础上进行更改，提升了电芯容量和能量密度，但尺寸相对较小，仍属于小圆柱电芯范围，在电池包整包的能量密度和体积利用率方面不占优势，基于圆柱电芯大型化发展的趋势，21700电芯在动力电池领域仅为过渡态，未来将更多地面向电动工具和双轮电动车领域进行应用和开发。
3 大圆柱电芯发展现状
为应对电动汽车对电池性能日益增长的需求，特斯拉着力解决安全性、成本与性能三者间的固有矛盾，推出了4680大圆柱电池。特斯拉在2020年9月的电池日上正式发布了4680电池，一经公布便引起了国内外电池厂商广泛关注。4680 电池与小圆柱电池最明显的差异在于电池尺寸。圆柱电池的直径越大，单体的容量越高，整个电池包内的电芯数量将减少，利于电池管理系统（Battery Management System，BMS）的管理。但若电芯直径过大，内部极片卷绕的厚度将增加，增加电芯散热难度。特斯拉认为46 mm 是兼具续航提升、降成本和安全性3 方面优点的最优尺寸[28]。圆柱电池的高度主要取决于不同电动车的底盘设计，不局限于80 mm，目前行业主流的高度设计有80 mm、95 mm、110 mm 等。4680电池在尺寸上做出了较大更改，性能得到进一步优化，与21700 圆柱电池相比，其直径增大了2 倍以上，能量提升5 倍，输出功率提升6倍，成本减少了56%，搭载4680 电池的整车续驶里程增加约16%，取得了跨越式进步[29]。
3.1 创新技术应用
为了最大化应用4680电池性能，在电芯结构和工艺方面采用了2 项先进创新技术，即全极耳设计和干法电极技术。
3.1.1 全极耳设计
传统小圆柱电池极耳通常焊接在正极或负极极片的一侧，卷绕后，电子流通需通过整个极片，路径较长，这导致电池内阻增大，产热也会相应增多，从而增大了电池热失控的风险[30]。全极耳技术最早由特斯拉提出，其设计理念是舍弃焊接极耳，正负极极片的一端使用导电涂层进行覆盖，卷绕后可以与壳体直接接触，这样电子能够直接在集流体和电池壳体间进行传导，全极耳结构俯视图如图4 所示[31]。全极耳技术可以成倍增大电流传导面积，缩短电子流通路径5%～20%，从而使电池内阻降低了5～20 倍，有效提升了电池功率。导电涂层和电池壳体的接触面积达到100%，分散了发热区域，减少电芯发热量，同时全极耳赋予电池更加宽阔的热量传输通道，改善散热效果，增强了电池的热稳定性[32]。如图5所示，在该结构中，电子更容易在电池内部移动，电流倍率提高，有助于提升电池快充性能。另外，通过降低电子偏移和过电位现象的产生，可以有效延长电池寿命[33]。
虽然采用全极耳技术可以显著提升电池的性能，但其对生产工艺要求较高。在涂布阶段，若涂布的精度不够，可能影响极耳整形和焊接的质量。在极耳处理阶段，切边不齐会造成材料层贴合出现缝隙，影响电池使用安全，极耳切割整形时可能会产生金属碎屑，增加电池短路风险，同时平整度将影响集流盘焊接的良率[34]。在焊接阶段，全极耳激光焊的焊点数量比传统极耳焊点增加了5 倍以上，激光强度和焦距不易控制，容易焊穿极耳烧到电芯内部或者漏焊，影响电池性能和使用安全。上述问题影响了大圆柱电池的生产效率，当前各企业均不断提升生产设备和工艺水平，以期提高量产圆柱电池良品率。
3.1.2 干法电极技术
除了创新性结构设计外，4680电池优化了极片制造工艺，提出采用干法电极技术，有助于降低电池成本，同时提高能量密度。
传统湿法工艺采用液体溶剂，需经历匀浆、涂布和烘干工序，耗时长且增加了材料和设备成本[35]。而干法电极工艺无需溶剂，直接将电极材料与粉状粘结剂聚四氟乙烯混合，形成纤维化粉末，将粉末压制成薄膜后热压到极片上，省去了固液两相混合以及湿涂层干燥的过程，提高生产效率，节省了材料、干燥设备和回收溶剂的成本，是一种环境友好的极片制造工艺[36]。在电池性能方面，采用干法工艺可以使电极材料颗粒接触得更加紧密，增大电极密度和导电性，有利于高能量密度电极的高倍率性能发挥。郭德超等[37]研究发现，通过采用干法工艺，电极形成了致密且柔性的纤维网状结构，在经历500次充放电循环后，极片结构仍保持稳定，活性物质颗粒之间的裂隙较少。同时，形成的网状结构能够限制活性物质颗粒体积膨胀，增强极片的稳定性，提高电池性能。
干法电极技术具有降低成本、提升电池性能的优点，但目前发展尚未成熟，仍存在技术难点。如4680电池的样件仅在负极采用干法工艺，正极仍采用湿法工艺，这是因为正极材料易发生化学变化，存在粉末脱落的现象，影响材料性能发挥，因此量产4680 电池的正负极均采用湿法制造工艺[38]。干法电极技术可以有效提升电池性能，更适配于4680、固态电池等高性能电池的制造需求，其仍是当前行业内关注的重点，具有广阔的发展和应用前景。
3.2 大圆柱电芯应用现状
大圆柱电芯因具有高能量密度、高安全、强快充的特点，成为当前电动汽车行业内主流的圆柱电芯产品，搭配三元高镍化学体系适配于各种中高端车型。除了特斯拉外，奔驰、宝马、蔚来、沃尔沃、江淮等企业也快速布局大圆柱电池，计划未来推出相关车型[39]。2022年宝马与多家电池厂商如宁德时代、亿纬锂能达成合作，宣布从2025年起在“新世代”车型中搭载大圆柱电池包。蔚来自研的4680大圆柱电池，有计划量产并应用于自身车型和旗下子品牌阿尔卑斯中。在电池生产企业方面，国外的松下、LG 新能源、三星SDI和国内企业比克电池、远景动力、国轩高科等均根据客户需求积极投入大圆柱电池产品的研发生产[39]。比克电池的46 系圆柱电芯采用全极耳设计的同时对化学体系进行优化，单体能量密度可达270 Wh/kg以上，支持9～20 min 快充。远景动力新建圆柱电池专属的零碳电池工厂，规划产能30 GWh，为宝马供货圆柱电芯。国轩高科于美国先进汽车电池大会上展出了专为纯电动车研发的高功率三元46系圆柱电芯，能量密度能达到310 Wh/kg，处于行业领先水平，同时在电芯测试中实现无热扩散，具有优异性能。
基于大圆柱电芯在产品一致性、成本、安全等方面的优势，国内外多家企业同步开发面向储能领域的大圆柱电芯产品。特斯拉表示在进行产品升级后4680电池将具有更低的成本和更高的能量密度，未来有望应用于家用储能电池Powerwall 和大型集装箱储能电池Megapack 等储能产品[40]。亿纬锂能面向家用储能市场，推出了大圆柱磷酸铁锂电池；厦门海辰储能发布了一系列不同容量的大圆柱电芯，可根据不同应用场景进行个性化定制；鹏辉能源的大圆柱磷酸铁锂电芯采用全极耳和全周期动态均衡技术，具有长寿命、宽温程使用、强动力的特点，适用于各种储能场景。
无论在新能源汽车领域还是在储能领域，大圆柱电芯均可以匹配不同的化学体系，发挥其长寿命、低成本、高安全的产品优势。结合终端市场的需求来看，当前多家企业的大圆柱产品进入规模化量产阶段，呈现多元化的竞争态势。
4 结束语
圆柱形锂离子电芯具有一致性好、安全性高的特点，近年来受到多家车企的广泛关注，并应用于多款主流车型。随着电动汽车对续驶里程、充电速度以及能量密度需求的不断提升，圆柱电芯正朝着大型化方向快速发展。以4680 等大尺寸圆柱电芯为代表的新型产品，通过采用无极耳、干法电极等先进技术，圆柱电芯展现出更加突出的性能优势，适配于各种中高端车型。
展望未来，通过持续的结构创新、材料创新和生产技术创新，圆柱电池有望在能量密度、安全性、快充性能及成本控制等方面实现更大突破，从而满足电动汽车用户对电池性能的多样化需求，为新能源汽车行业发展带来更多可能性。
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