动力电池目前的主流生产工艺，无论是比亚迪、CATL、亿纬锂能、欣旺达等主导的方形路线，还是以特斯拉和松下主导的圆柱路线，仍还在沿用数码锂电时代的卷绕制造工艺。但在车规级动力电池/储能电池对于大容量、大规模、标准化的要求趋势下，对制造一致性、制造质量、制造安全性的要求也越来越高，卷绕工艺存在的问题也逐步显现出来。
在此背景下，叠片工艺能够很好的满足锂离子在电池内部均匀、平行移动的需求，且叠片工艺具备接触界面均匀、内阻低、能量密度高、倍率特性好、极片膨胀变形均匀等综合特点，已经成为未来电池结构发展的重要趋势。
卷绕
生产效率高、自动化程度高
内阻大（类似串联型式），不易制作高倍率电池
边角有应力，易变形、贴合不佳
叠片
生产效率慢、对制程控制要求高
内阻小（并联）
贴合佳
卷绕和叠片技术发展路线
目前市场上主流叠片机设备路线主要有四种:
1) Z字型叠片机
2) 切叠一体机
3) 热复合叠片机
4) 卷绕一体机。
其中，Z字型叠片机和切叠一体机本质上都属于Z型叠片，目前在国内应用最广泛；
热复合叠片机是将烘烤后的正负极片与隔膜热复合，随后经辊压，裁切成复合单元再进行叠片，相较于Z字型叠片多热复合和辊压等工序，技术难度更高；
卷叠一体机是指将正负极片裁切成单元，分别贴在隔膜上，然后用卷绕的方式，实现两组正负极片相间叠放；
卷叠一体机设计牵扯到国外日韩专利，例如LG新能源使用的是德国MANZ制造的卷叠一体机锂电设备。
叠片设备的分类
Z型叠片
可以分为单工位Z型叠片机、多工位Z型叠片机、摇摆式Z型叠片机和模切Z叠一体机。从电芯结构工艺角度分析，由于Z型叠片的机理是隔膜材料的往复高速运动再配合叠台的压针动作，这个过程免不了会出现极片定位不准（压针撤离极片移动，无法在线监测），不能在线数据闭环的问题，同时出现隔膜拉伸变形不均匀，在高加速运动中变形破坏的风险也会更高。
从制造角度分析，Z型叠片需要下料和尾卷的辅助时间，这在电芯制造过程中会对效率产生较大的影响。Z型叠片提升效率的方式除了单工位效率提升外，一般采用多工位的制作方式来提升效率。但是多工位Z型叠片机存在较复杂的极片调试系统，整机的实际利用率较低。
隔膜褶皱，析锂
过程中需要注意多片现象，防止多叠片，浪费材料，浪费电池内部空间。
涂布过程需注意头部过后的潜在不良风险
析锂，容量损失，长期使用存在安全隐患
叠片隔膜皱摺改善(压刀)
机构变薄，宽度方向不变，使其包覆负极量不变，贴合更好，褶皱改善。
对齐度对焊接的影响
对齐度控制不好，极耳就会产生错层，在焊接时产生厚度差，直接影响焊接品质，内阻偏大，循环寿命差。
复合叠片
可以分为复合卷叠机、复合堆叠机和复合折叠机。复合叠片的基础需要使用双面涂胶隔膜，包括水系或油系隔膜。通过压力和温度将极片与隔膜粘附在一起形成复合单元，再使用不同的方式进行电芯成型。同时复合叠片技术较适合用于未来半固态或全固态电池的制作。复合叠片可以保证隔膜张力均匀，没有拉伸突变，隔膜极片结合界面均匀，可以在线检测正、负极片，隔膜的对齐度实现制造数据闭环，因而对叠片制造质量提升很有帮助。
叠片分类及优缺点
叠片设备的原理
①Z型叠片机：
此设备完成动力电池的自动叠片、贴胶及自动下料功能。隔膜主动放卷，经过渡辊，垂直张力机构引入主叠片台。主叠片台带动隔膜前后往复运动，呈Z字形折叠并放置极片。正负机械手分别从正负极片盒内取出极片，经次定位台定位，精确叠放在主叠片台上。在叠放至设定片数后，停止叠片，完成尾卷、贴胶后，自动下料到后工序。
Z型叠片机设备流程图
Z型叠片机主要性能指标表
②复合叠片机：
用于实现高速全自动叠片工艺，主要包含正负极片与隔膜放卷机构、极片裁切与除尘机构、极片隔膜热复合机构、叠片平台、电芯热压、贴胶、称重、贴二维码与扫码机构等。其设备流程图和主要性能指标表如下：
复合叠片机设备流程图
激光模切流程图
热复合工艺流程图
复合叠片机主要性能指标表
叠片设备的关键结构
①Z型叠片机，主要部件构成包括：机架系统、正/负极片盒组件、隔膜放卷组件、负极片二次定位组件、叠片台组件、机械手组件、隔膜切断组件、电芯贴胶组件、电芯下料组件。
②复合叠片机，主要部件构成包括：机架系统、放卷系统、张力控制系统、极片来料缺陷检测、拉膜收放卷系统、纠偏系统、极片裁切/送料系统、热复合系统、叠片平台、贴胶机构、Hi-pot测试机构、称重机构、贴二维码扫码机构、下料机构、粉尘控制机构。
复合叠片贴胶示意图
③高速翻转叠片机，高速叠片技术3.0，采用极片热复合与多片叠融合技术，通过技术创新在效率方面实现了颠覆性的突破，实现了0.125秒／片的叠片速度。这就使得整体的中段工艺得到了简化，单位占地节省40%以上。同时，效率和精确性的提高，也解决了隔膜褶皱、对齐度不良等缺陷控制与监测痛点问题。
叠片工艺的好处
●能量密度更高
从电芯内部来看，卷绕工艺的卷绕拐角部有弧度，空间利用率低一些，叠片工艺能够充分利用电池空间，在相同体积的电芯设计下形成的电芯能量密度更高。
● 结构更稳定
电池使用过程中，锂离子的嵌入会使得正负极片均会有膨胀，卷绕拐角处内外层内应力不一致，卷绕的电池会发生波浪状变形，进而致电池的界面变差，电流分布不均，加速电池内部结构不稳定。
叠片工艺在电池的循环往复使用中，虽然也会膨胀，但总体来说，每层膨胀力相近，因此可保持界面平整。
● 安全性更高
卷绕下两端极片折弯后涂层材料发生较大弯曲变形，折弯处容 易发生掉粉、毛刺问题。极片和隔膜所受拉力容易出现不均匀、产生褶皱，极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形。而叠片电池受力均匀，在这个角度而言，电池安全性更高。
● 更长的循环寿命
叠片电池的极耳数量较多，电子传输距离越短，电阻越小，故叠片的电池内阻能够降低，电池产热小。而卷绕容易发生变形、膨胀等问题，影响电池衰减性能。
叠片中段生产的核心环节
叠片与卷绕的主要差别在于模切和极组成型两道工序
传统方形电池卷绕工艺与叠片工艺流程差异主要在模切工序和极组成型工序，其他工序的加工方法差别不大。
连续涂布工艺
模切工序主要差异：
• 模切方式，传统卷绕采用双边五金或者激光模切方式，模切完成后分切收卷，以卷料形式流向极组成型工序，叠片则大多采用单边五金或者激光模切方式，模切后以片状物料流向极组成型工序。
• 极耳间距，卷绕的模切极耳间距不等，内圈间距小，外圈间距大，极耳的间距依据卷绕每圈的周长差进行设计，这样可以保证卷绕后的极组极耳落在同一位置，叠片的极耳则是等间距的。
• 冲切位置，卷绕会根据电芯要求在片长位置设置Mark定位孔，卷绕时检测到Mark孔时会进行切断，而叠片极耳间距相同，会进行等间距切断。
极组成型工序主要差异：
• 极片状态，卷绕的正负极片连续，叠片的正负极片是片状物料。
• 极组完成判定，卷绕检测到Mark孔时进行裁断，完成极组卷绕，叠片则按照正负极片的设定数量进行叠片，达到设定值时完成一个电池的叠片。
• 极组形态，在层数相同条件下，叠片电池的极耳数较卷绕电池多一倍。
• 隔膜张力控制，卷绕在高速卷绕过程中隔膜会产生一定的张力，孔隙率会发生微小的变化，而叠片在极组成型时张力几乎为零，孔隙率和原材料保持一致。
各种叠片方式的工艺流程及优劣势
叠片设备的发展趋势
♦ 单机效率提升：由单机1GWh能力逐步往2GWh、4GWh、8GWh提升。
♦ 产品合格率提升：由现有的99%逐步往99.5%、99.9%、99.99%发展，同时产品的一致性CPK由1.33逐步提升至2.0以上。
♦ 设备稳定性提升：MTBF逐步发展到数千小时。
♦ 智能化一体化：模切叠片一体化、数据闭环智能化。
综合制造效率和成品率来评估两种技术路线：
● 潜力最大的是卷绕大圆柱：最主要的围绕成熟工艺开始导入干电极的工艺，有一定空间。
● 发展最快是叠片：随着新能源在叠片技术的不断创新以及中航、亿玮锂能等动力电池企业的持续跟进，中国的电池企业都朝着超级叠片 刀片电池方案开始设计，这块的潜力最大。
● 发展走向平稳是卷绕：方壳卷绕保持现状，同时也看到了在原有的产能建设方面，这条路线是最大的。
小结：电池企业围绕工艺选择要做取舍，但是走势越来越清晰，随着技术创新的发展，动力电池TWh大规模制造时代是每个电池企业不可回避的点，谁能做好这点，就能在动力电池成为大规模标准化产品阶段找到自己的立足根本。
结语
目前，全球头部电池企业未来产品规划逐渐向叠片电池切换。鉴于叠片电池在能量密度以及安全性等方面优于卷绕电池，伴随叠片技术的不断发展，未来方形电池中叠片工艺有望得到大规模使用。
