卷绕电芯设计实例

• 卷芯为什么铝箔收尾，而不是隔膜？
• 卷芯极耳为什么不设计成中线对称，而是偏置在同一侧边？

卷芯设计方案如下：

1、来料规格

1.1、极片规格

正、负极片详细规格如图1所示，采用间隙涂布方式，A\B两面有部分单面涂层的位置，正、负极来料方式见图2。

图2    正、负极来料方式

极耳尺寸见图3，极耳焊接位置如图1所示。

图3   极耳尺寸图

2、卷绕方式 

隔膜、正、负极极片卷绕插入方式及插入量如图4所示。电芯卷绕时，为了防止正极扩散过来的锂离子在负极有对应场所接纳嵌入晶格，负极必须全部包裹正极，并有一定尺寸余量。同时为了避免短路，隔膜必须包裹负极。因此，如图4所示，卷绕电芯在长度方向必须保证负极具有余量，隔膜包裹负极。极片相对位置非常关键。另外，正负极之间的相对位置这些尺寸受到极片涂布规格、卷绕工艺等影响。

图4   电芯卷绕极片、隔膜插入方式

另外，在极片宽度方向上，负极也需要超出正极一定余量，隔膜超出负极一定余量。宽度方向的对齐度直接由卷绕工艺精度决定，精度高时，余量尺寸可以更小，电池能量密度更高。但是，电池安全性系数降低，必须确保工艺精度，否则对电池存在巨大安全隐患。卷芯每层极片的对齐度一般采用X-射线全部检测，当正负极之间的宽度相对尺寸不满足要求时设备自动报警剔除不良品。隔膜和极片的宽度相对位置如图5所示。隔膜包住负极两侧各多出1mm，负极包住正极，两侧各多出1mm。  

图5   隔膜和极片的相对位置

3、胶带粘贴及极片裁剪

间隙涂布的极片需要根据电池设计确定对应的极片规格，例如间歇尺寸，A、B两面的错位设计等。卷绕时，极片切断位置正确才能保证极片规格正常，形成正确的卷芯。因此，电芯卷绕时，也需要检测极片规格是否正常，极耳焊接位置是否正确。正负极胶带粘帖要求如图6所示，胶带粘贴主要包括涂层边缘胶带，极耳保护胶带等。确定卷绕工艺时，这些参数同样需要一一确定。  

图6    正负极粘贴胶带方式  

4、电芯外形尺寸

卷绕完成，电芯外形尺寸如图7所示，终止胶带粘帖见图7。尺寸包括高度H，宽度G，厚度T，胶带宽度E和位置F，极耳位置A、B、C、D等。这些尺寸可以直接测量，和卷绕工艺以及设备精度相关，具体数值见表2。

表2 电芯外形尺寸  

图7  电芯外形图及其尺寸  

最终实际卷绕的卷芯如图8所示，可惜当时测量卷芯的所有详细尺寸没有找到。

图8  电芯实物

这款卷芯两个特别的地方是：

• 卷芯最终以铝箔卷绕一圈收尾，不同于常见的隔膜卷绕收尾。当时的设计想法是验证卷绕机能否实现这种非常规的卷绕功能。大家觉得相比于隔膜收尾，铝箔收尾还有什么优劣？

• 卷芯极耳比较靠近，不是中线对称的设计，而是在顶边的一侧。当时的设计想法是验证卷绕机能否实现这种特殊设计的尺寸要求。另外，这种极耳设计满足一些特殊使用场景。大家怎么看？