关于锂离子电池，你不知道的秘密还有哪些（上）？

作为除了新能源汽车、光伏之外的“外贸新三样”之一的锂离子电池，不是第一次出现在我们的文章中了。今天这篇文章想从原理、生产工艺、生产设备以及未来新技术等角度为各位做一个简单的科普。咱别光顾着看车，一起来【讲堂】涨涨知识！

在科技浪潮中，有一种小巧却强大的能源储存装置一直默默地支撑着我们的生活——锂离子电池。它小巧玲珑，却蕴藏着巨大的能量，为我们的手机、电动汽车、可穿戴设备提供源源不断的动力。它的工作原理是怎样的？又是如何被制造出来？决定它性能的指标有哪些？制造锂电池需要用到什么设备？未来锂电池技术方向有哪些？带着这些疑问，咱们开始今天的讲解！

锂离子电池的工作原理

神奇的能量转换

锂离子电池，顾名思义，是一种依靠锂离子在正负极之间迁移来储存和释放能量的电池。它的“心脏”由正极、负极、电解液和隔膜构成。正极材料通常是富含锂的化合物，如钴酸锂、磷酸铁锂等。负极则是能够接纳锂离子的材料，如石墨。电解液就像血液，负责传递锂离子。而隔膜则扮演着守门员的角色，允许锂离子通过，同时阻止电子直接通过，确保电池的安全运行。

当电池充电时，正极的锂离子通过电解液游到负极，嵌入到负极材料的结构中。这个过程需要消耗电能，将电能转化为化学能储存起来。放电时，锂离子则从负极脱出，通过电解液回到正极，同时释放出储存的能量，供我们使用。这种可逆的化学反应让锂离子电池能够反复充放电，成为我们生活中不可或缺的能源伙伴。

核心性能指标

衡量电池优劣的标尺

评价一款锂离子电池的优劣，离不开四大核心指标：能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。

能量密度是指单位重量或体积的电池所储存的能量。它直接决定了设备的续航能力。手机、电动车的续航能力很大程度上取决于锂离子电池的能量密度。功率密度则反映了电池在单位时间内释放能量的能力，影响着设备的动力性能。对于需要瞬间大电流放电的应用场景，如电动汽车的加速、智能手机的快充等，功率密度至关重要。

循环寿命是指电池在反复充放电过程中的性能衰减程度。一个优秀的锂离子电池应该在经过数百甚至数千次充放电后，仍能保持较高的性能。安全性则是电池使用的底线。锂离子电池在过充、过放、短路等异常情况下可能会产生高温、起火甚至爆炸等危险。因此，确保电池的安全性是研发和使用过程中的首要任务。

锂离子电池家族成员众多，常见的有钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元电池等。它们各有千秋，在能量密度、安全性、成本等方面各有优势。例如，钴酸锂电池能量密度高，但安全性相对较低；磷酸铁锂电池虽然能量密度逊于三元电池，但热稳定性更好，成本更低，因此广泛应用于新能源汽车等领域。结合2023年国内动力电池装机情况，近七成的电动汽车搭载的是磷酸铁锂电池。

生产工艺流程方面，锂离子电池的制造过程可谓精益求精。从原料准备到浆料制备，再到涂布、干燥、辊压、卷绕/叠片、装配、注液、化成、检测和包装等环节，每一步都严格把控，确保电池的品质和性能。其中，涂布和卷绕/叠片是锂离子电池制造中的关键环节，直接影响着电池的性能和一致性。

锂电池的分类与生产工艺流程

从原材料到锂电池

锂电池的生产工艺主要包括浆料制备、极片制备、电芯装配、干燥注液、化成分容等关键步骤。

1. 浆料制备：将正负极活性物质、导电剂、粘结剂等按一定比例混合，形成均匀的浆料。这一步骤对浆料的均匀性和稳定性要求较高，直接影响到后续极片的性能。

2. 极片制备：将浆料均匀涂布在金属箔（如铝箔或铜箔）上，经过干燥、辊压等工序，形成正负极极片。极片的厚度、平整度等参数对电池性能有重要影响。

3. 电芯装配：将正负极极片、隔膜等通过卷绕或层叠方式组装成电芯。电芯的结构和尺寸决定了电池的能量密度和功率密度。在这个环节，目前主要分叠片工艺和卷绕工艺。像比亚迪的刀片电池，主要是由叠片工艺制成。而像宁德时代供应的方壳电池以及目前热度比较高的4680大圆柱电池（电芯直径46mm，高度80mm）或者早期以18650（电芯直径18mm，高度65mm，0代表圆柱）为代表的小圆柱电池，都是靠卷绕工艺制成。

叠片工艺是将正负极片裁成需求尺寸的大小，随后将正极片、隔膜、负极片叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联成电池模组。这种工艺能够充分地利用电池空间，提高电池的体积利用率。

卷绕工艺则是通过控制极片的速度、张力、尺寸等要素，将分条后的正极极片、隔膜、负极极片按照顺序卷绕成圆柱形或方形等形状的电芯。卷绕过程中，极片会发生弯曲和变形，因此需要对极片的张力、对齐度等进行精确控制。

叠片工艺制成的电池产品具有更高的能量密度、更稳定的内部结构、更高的安全性以及更长的循环寿命。由于叠片工艺能够充分利用电池空间，因此在相同体积的电芯设计下，能量密度也相应提高。此外，叠片电池的每层膨胀力相近，可保持界面平整，减少电池在使用过程中产生的应力，从而提高电池的安全性和循环寿命。

卷绕工艺制成的电池产品则具有较低的内阻和较高的倍率性能。由于卷绕过程中极片之间的接触面积较大，因此电子传输距离较短，内阻较小。此外，卷绕电池的极耳数量较少，可以减少生产过程中的材料浪费和重量。

4. 电芯装配完之后，下一道工序就是干燥注液：将电芯在真空或惰性气体中进行干燥处理，以去除水分和杂质。然后注入电解液，使电芯内部形成离子传导通道。

5. 最后一道工序是化成分容：对电芯进行化成处理，激活正负极活性物质，使电池具有放电能力。然后通过分容工序，对电池进行充放电测试，按容量分类。

锂电池生产设备

工欲善其事，必先利其器

锂电池生产设备种类繁多，涵盖了从原料处理到最终产品检测的全过程。主要设备包括：

搅拌机：用于浆料制备过程中的混合搅拌。涂布机：将浆料均匀涂布在金属箔上，形成极片。辊压机：对涂布后的极片进行碾压，提高极片的密度和平整度。卷绕机/叠片机：将正负极极片和隔膜组装成电芯。干燥设备：用于极片和电芯的干燥处理。注液机：将电解液注入电芯内部。化成设备：对电芯进行化成处理，激活正负极活性物质。分容设备：对电池进行充放电测试，按容量分类。

目前市场上有很多锂电池生产设备厂家，值得一提的是，伴随国内新能源发展的东风，国内快速涌现出一大批优秀的设备制造厂商。其中，国内厂家：先导智能、赢合科技、科恒股份、联赢激光等。这些厂家在国内市场上具有较高的知名度和市场份额，产品覆盖锂电池生产的全线设备。国际厂家：日本的CKD、韩国的PNE等。这些国际厂家在技术上具有较高的水平，产品性能稳定可靠，但价格相对较高。

当然，不同厂家生产的设备在性能、价格、售后服务等方面存在差异，随着锂电池技术的不断发展和市场需求的变化，设备厂家也在不断创新和升级产品，以满足客户的需求。

主要电池厂商与国内配套情况

电池从哪儿来？又到哪里去？

有上述设备的加持，生产线上源源不断的锂电池大批量下线。除了应用到储能和数码领域以外，超过80%的锂电池都被应用到新能源汽车上。据统计，2023年全球新能源汽车销量达到1465.3万辆，同比增长35.4%。其中，中国新能源汽车销量达到949.5万辆，占全球销量的64.8%。2023年全球动力电池装机量，预计将达到749GWh。这一数据相较于2022年全年71.8%的高增长率有所下降，但仍保持了稳定的增长态势。如果大家对GWh这个单位没有概念，可以这样简单折算，按照单车平均50Kwh，也就是50度电的带电量来看的话，1GWh可以装2万台新能源车。

根据早前EVTank发布的数据，到2023年6月底，全球46家主要的电池企业的实际产能已经达到2383.6GWh，其中78.8%的产能来自中国国内，海外动力电池产能仅占21.2%，主要来自欧洲和美国，而这些海外产能又主要由日韩电池企业贡献。相较于749GWh的装机，这产能过剩着实堪忧！如果用一个字来形容电池行业，那就是“卷”!

锂离子电池市场风起云涌，国际巨头和国内新锐同台竞技。松下、LG化学等国外品牌在技术研发和市场布局方面具有先发优势，长期占据市场主导地位。然而，近年来国内电池企业异军突起，宁德时代、比亚迪等领军企业凭借技术创新和成本控制能力，逐渐在国际市场上崭露头角。下面为各位简单介绍下目前主要电池厂及新能源汽车配套情况。同时，根据最新的市场梳理，也为各位梳理了全球各主要电池厂商动力电池装机排名（2023 vs 2022），供各位参考（图中的数据单位为MWh，1000MWh=1GWh）。

全球动力电池装机排名（2023 vs 2022）

宁德时代：与特斯拉、蔚来汽车、理想汽车、小鹏汽车等多家新势力造车企业有合作关系。例如，特斯拉的许多车型都采用了宁德时代的电池，主要为三元锂电池和磷酸铁锂电池；蔚来汽车则主要采用了宁德时代的三元锂电池和铁锂混合电池；理想汽车全部采用了宁德时代的三元锂电池。

比亚迪：除了供应自家车型如比亚迪秦、唐、宋等外，比亚迪也与其他汽车制造商有合作关系。其电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池。

LG新能源：与通用汽车、奥迪、捷豹、沃尔沃等国际汽车制造商有合作关系。例如，奥迪e-tron、捷豹I-PACE等车型都采用了LG新能源的电池，主要是三元锂电池。

国轩高科：与多家国内汽车制造商有合作关系，如长城欧拉、北汽新能源等。主要车型如长城欧拉R1等采用了国轩高科的三元锂电池或磷酸铁锂电池。

中创新航：与广汽埃安、长安汽车等汽车制造商有合作关系。例如，广汽埃安的AION S等车型采用了中创新航的电池，主要为三元锂电池。

亿纬锂能：与小鹏汽车、宝马等有合作关系。例如，小鹏汽车的某些车型采用了亿纬锂能的电池，主要是三元锂电池。

那么，锂电池工作原理、工艺、设备及主要玩家我们介绍完了，那么，电芯是否造出来就可以直接应用到汽车上？未来还有哪些新技术具备较大的潜力？目前各个新能源厂商又是如何规划的？限于本文篇幅，本期【讲堂】先给各位分享到这。我们会把该主题拆成两部分，各位有想了解的，也可以在后台留言，我们下期【讲堂】不见不散！

本文作者为踢车帮 杨帆