能元科技21700电池拆解信息

文献信息

标题：Exploring trends in battery manufacturing: Comparative teardown and characterisation of high-performance cells

作者：Hamish T. Reid, Thomas Dore, Gaurav Singh, Yuhan Liu, Huw C.W. Parks, Charlie Kirchner-Burles, Francesco Iacoviello, Thomas S. Miller, Rhodri Jervis, James B. Robinson

发表：Future Batteries 9 (2026) 100150

本文对同一厂商能元科技的两代21700电池P45B（2023年发布）和P50B（2024年发布）进行了系统拆解和多尺度表征的详细对比。研究方法包括：非破坏性X射线CT、拆解分析、SEM/EDX、微CT、电化学测试（HPC、EIS、倍率测试、循环测试）。结果发现：P50B加重了电极压实，正极孔隙率从45%降至37%，迂曲度从1.48增至2.25，增加了卷绕层数（36→39），加厚了极耳（正极110→130μm，负极85→115μm），具有更高的能量密度。但是，电化学结果显示，P50B在高SOC和低SOC区间阻抗更高，10C倍率下容量保持率从P45B的99%降至97.5%。尽管P50B有更高的硅含量，但其库仑效率反而略好，可能是电解液配方优化的结果。

电芯CT扫描结果显示：P45B和P50B两代21700电芯均采用两个位于卷芯中部正极极耳、三个负极极耳分布在内/中/外侧，中心孔直径约3.5 mm，壳体厚度约0.25 mm；但P50B的卷绕层数更多（39层，P45B为36层），且中心处的卷芯屈曲更严重，说明更紧密的卷绕在提升容量的同时也增加了内部机械应变。

图1 电芯CT扫描图

表1和表2是拆解P45B和P50B两代21700电芯后，对正负极极片参数逐项测量的结果。正极面密度提高了约11%，单位面积上更多活性材料，但是电极厚度几乎不变，压实密度增加。结合极片长度增加160mm，正极活性物质总量显著提升。这是电池容量提升的主要原因。

负极涂布面密度不变，但是减薄14μm，使卷绕增加了更多的层数（36→39层）。后续EDX显示硅含量增加了，保证N/P比安全裕量。

图2分别展示了P45B和P50B两代电芯正负极的微观形貌。

P45B正极材料呈现明显的双峰颗粒分布——较大的二次颗粒（约13-15μm）之间，填充着大量较小的颗粒（约1μm）。大颗粒形状较为圆润，表面相对光滑，没有明显的破碎痕迹。小颗粒均匀地分布在大颗粒之间的空隙中，起到填充作用。颗粒之间的孔隙结构较为清晰，颗粒堆积相对松散。

P45B负极颗粒（石墨/硅复合）尺寸分布较为均匀，颗粒直径集中在7-9μm左右。颗粒形状呈现不规则的片状或块状，表面有一定粗糙度。颗粒之间的孔隙较为明显，没有明显的压实变形痕迹。

与P45B正极类似，P50B也是双峰分布，但压实程度明显更高。大颗粒明显扁平化。颗粒破碎现象明显，可以看到部分大颗粒已经碎裂成更小的碎片，暴露出新鲜表面。颗粒之间的接触更加紧密，孔隙明显减少，电极表面更加致密。在电极与集流体界面处，可以看到颗粒被压入铝箔的痕迹。

P50B负极颗粒尺寸分布基本一致，但压实程度也更高。靠近表面的颗粒明显扁平化、变形，形状更加不规则。颗粒之间的接触更加紧密，孔隙率降低。整体结构比P45B负极更加致密，表面更加平整。

图3  P45B和P50B两代电芯正负极的微米CT形貌和统计的颗粒尺寸分布

微米CT三维成像也显示，P50B正负极都经历了更高的压实处理——正极颗粒明显扁平化甚至破碎、部分被压入铝箔，负极颗粒变形且涂层减薄，孔隙率降低。这种高压实的工艺策略，让P50B在同样尺寸的电芯中填充了更多活性材料，但也导致正极迂曲度大幅增加（1.48→2.25）。

图4  电压-SOC曲线和微分容量曲线

图4通过电压-SOC曲线（6A）和微分容量曲线（6B）对比了P45B与P50B的电化学行为，图中显示两者在高SOC区间（50–100%）充放电曲线几乎重合；但在低SOC区间（0–50%）出现明显差异，P50B在低电压区贡献了额外容量，并在约3.05 V处出现一个P45B没有的微分容量峰，这是由于P50B负极中更高的硅含量；此外，两者在约3.5 V处均有特征峰，但P50B的峰在充放电时均向高电压方向偏移，且偏移基本对称，可能是正极配方中镍含量不同。

图5  3C充放电循环200圈和循环后卷芯的X射线CT切片

图5通过3C充放电循环200圈的容量保持率曲线和循环后卷芯的X射线CT切片，对比了两代电芯的循环稳定性：图5A显示P50B的容量保持率略高于P45B（200圈后93.7% vs 93.1%），但P50B的初始容量相对其额定值起点更低（98.2% vs 99.2%）；图5B和5C的CT切片则显示，尽管P50B容量衰减未明显加速，但其卷芯中心屈曲更严重，影响了7层卷绕（P45B仅3-4层），并伴有电极分层，说明更紧密卷绕带来的机械损伤在长期循环中可能更严重。

图6  倍率放电测试的容量和温升

图6为温度-电压曲线和容量与温度随倍率变化的综合图。结果显示两电池在2–8C均能保持约98.5%的相对容量，5C下P45B容量甚至略高于1C（可能因温升改善了反应动力学），但10C时P45B仍保持99%以上容量而P50B降至约97.5%；同时P50B在所有倍率下的表面温度均高于P45B且差距随倍率增大，10C时P50B达到80°C安全上限而P45B仅66.7°C，说明P50B因阻抗更高、迂曲度更大及卷绕更密导致散热更差。

总之，在不改变化学体系和电芯尺寸的前提下，通过加厚极耳、增加卷绕层数、提高压实、提高硅含量等手段提升电池性能，但这些改动也带来了迂曲度增加、高倍率性能下降和卷芯屈曲加剧等副作用。