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一、引言

隨著應(yīng)用需求的不斷提高，對鋰電池電芯的容量要求也日益增加，增大電芯直徑成為提升容量的一種常見方式。電芯直徑過大也帶來了一系列問題，深入探究其直徑過大的原因，對于優(yōu)化鋰電池性能、推動行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

二、生產(chǎn)工藝限制

（一）卷繞工藝的空間利用率與變形問題

目前，主流的卷繞工藝是電芯制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但存在天然的結(jié)構(gòu)限制。

1. 內(nèi)部空間利用率問題

卷繞過程中，極片與隔膜需通過卷針連續(xù)纏繞，形成“多層疊加”的結(jié)構(gòu)。由于卷針的彎折區(qū)域（如方形卷針的邊角）和焊接區(qū)域（極耳連接處）無法完全填充活性材料，導(dǎo)致內(nèi)部空間利用率較低。為了補(bǔ)償容量損失，就需要增大電芯直徑以容納更多極片，從而提高電芯的整體容量。

2. 極片變形問題

卷繞后的電芯需通過抽針（卷針退出）完成定型，但卷針形狀（如扁菱形）會導(dǎo)致極片張力波動（線速度變化可達(dá) 10 倍以上），引發(fā)“S”變形（極片扭曲）或內(nèi)部褶皺。為避免這些問題，需適當(dāng)增大直徑以降低張力對邊緣的影響，保證極片的完整性和電芯的性能。

三、材料特性

（一）膨脹與熱失控風(fēng)險

1. 電極膨脹

充電過程中，SEI 膜（固體電解質(zhì)界面膜）形成會產(chǎn)生氣體，同時電極材料（如石墨、硅基材料）因鋰離子嵌入會發(fā)生晶格膨脹。方形電芯的平面結(jié)構(gòu)耐壓能力弱，直徑增大時，殼壁承受的應(yīng)力更大，導(dǎo)致鼓脹加劇。這不僅影響電芯的外觀和尺寸穩(wěn)定性，還可能對電芯的性能和安全性產(chǎn)生不利影響。

2. 熱管理挑戰(zhàn)

大直徑電芯的內(nèi)部熱阻增加，充放電時熱量難以擴(kuò)散，導(dǎo)致內(nèi)部溫差擴(kuò)大（如頂部與底部溫差可達(dá) 5 - 10℃）。溫度不均會加速電極材料老化，同時增大熱失控風(fēng)險（熱失控時氣體排出路徑延長，壓力累積更快）。熱管理問題成為限制電芯直徑進(jìn)一步增大的重要因素之一。

四、安全與結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）極片對齊與隔膜完整性

大直徑電芯的卷繞層數(shù)更多，極片與隔膜的對齊精度要求更高。若張力控制不當(dāng)，易出現(xiàn)極片偏移、隔膜褶皺，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸（短路）。短路是鋰電池安全的重大隱患，可能引發(fā)熱失控、起火甚至爆炸等嚴(yán)重后果，因此對極片對齊和隔膜完整性的要求限制了電芯直徑的擴(kuò)大。

（二）熱失控防護(hù)

電芯直徑增大時，熱失控排氣路徑（從內(nèi)部到外殼的距離）變長，高溫氣體無法及時排出，會加劇內(nèi)部壓力累積，增加爆炸風(fēng)險。為了保證電芯的安全性，需要在熱失控防護(hù)方面采取更有效的措施，但這也對電芯直徑的增大形成了一定的制約。

五、設(shè)備與工藝適配性

（一）卷針與張力控制的局限性

1. 卷針形狀限制

圓形卷針會導(dǎo)致極耳變形，扁菱形卷針需通過變張力卷繞（張力隨層數(shù)增加而減小）或變轉(zhuǎn)速卷繞（線速度波動降低）來減少變形。但這些工藝調(diào)整需犧牲部分生產(chǎn)效率，且對大直徑電芯的適配性仍有限。不同形狀的卷針對電芯直徑的擴(kuò)大存在一定的阻礙作用。

2. 設(shè)備精度要求

大直徑電芯的卷繞需要更高的張力控制精度（誤差需小于±5%）和卷針同心度（偏差需小于 0.1mm），現(xiàn)有設(shè)備的精度限制了電芯直徑的進(jìn)一步擴(kuò)大。設(shè)備精度成為制約電芯直徑增大的硬件因素。

六、性能需求

（一）容量與功率的平衡

1. 容量提升需求

為滿足儲能、動力電池等領(lǐng)域的高容量需求（如 500Ah +、600Ah + 電芯），需增大電芯直徑以容納更多活性材料。但直徑增大時，電子遷移路徑（從極片邊緣到極耳的距離）變長，導(dǎo)致內(nèi)阻增加（效率下降約 2 - 5%），需通過全極耳設(shè)計（縮短電流路徑）彌補(bǔ)。在追求高容量的同時，需要解決內(nèi)阻增加帶來的效率問題。

2. 功率性能限制

大直徑電芯的倍率性能（快充/快放能力）會下降，因內(nèi)部離子擴(kuò)散距離增加。為平衡容量與功率，需優(yōu)化極片材料（如高倍率石墨）或結(jié)構(gòu)（如多極耳設(shè)計），但這也會增加制造難度。容量和功率之間的平衡問題是導(dǎo)致電芯直徑增大面臨挑戰(zhàn)的重要原因之一。

七、總結(jié)

鋰電池電芯直徑過大是生產(chǎn)工藝限制、材料特性、安全設(shè)計、設(shè)備適配及性能需求共同作用的結(jié)果。盡管增大直徑可提升容量，但需解決變形、熱管理、安全及功率性能等問題。