剛剛過去的2021年，中國新能源汽車市場發展迎來井噴，中國汽車工業協會資料顯示，2021年新能源汽車銷售352.1萬輛，同比增長1.6倍，由此也帶動了動力電池的強勁增長。中國汽車動力電池產業創新聯盟釋出的動力電池資料顯示：2021年1—12月，我國動力電池裝車量累計154.5GWh，同比累計增長142.8%。其中三元鋰電池裝車量累計74.3GWh，佔總裝車量48.1%，同比累計增長91.3%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計79.8GWh，佔總裝車量51.7%，同比累計增長227.4%。新能源汽車的高速增長有賴於因續駛里程和充電速度的增加而增長的使用者的信心。動力電池材料的創新和結構的創新可使質量能量密度不斷增加，從而使續駛里程更長，充電速度更快，而結構的創新更容易實現。動力電池的結構從方形到刀片，從小圓柱到大圓柱，能量密度和功率也越來越大。結構的創新帶來工藝的創新，也帶來更大的難度，比如當前4680圓柱電池的全極耳技術的不成熟也令其難以大規模生產。
4680圓柱電池結構
4680圓柱電池，是圓柱電池從較小的1865到2170之後，進一步做大的結構創新（見圖1）。
這裡的46是指電池直徑46mm，80是指長度80mm。
2020 年9月23日是特斯拉電池日，埃隆·馬斯克向全球展示了一款全新電池——4680無極耳電池（見圖2）。
相較於此前採用的2170電池，特斯拉4680電池的電芯容量是2170電池的5倍，充電功率提高6倍，每千瓦時的成本降低約14%，續駛里程提高16%。很顯然，如果4680圓柱電池大規模量產，將成為新能源汽車企業競爭市場的利器。
相比於以前的圓柱電池，4680電池最大的結構創新是無極耳，又稱全極耳。傳統的圓柱體電池，正負極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來卷繞，為了引出電極，會在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個導引線叫極耳。傳統的1860電池卷繞長度是800mm，以導電性更好的銅箔為例，極耳從銅箔上把電匯出來長度就是800mm，相當於電流要透過800mm長的導線。透過計算得到電阻大約是20mΩ，2170電池卷繞長度約是1000mm，電阻約23mΩ，而4680電池全極耳電池把整個集流體都變成極耳，導電路徑不再依賴極耳，電流從沿極耳到集流盤橫向傳輸變為集流體縱向傳輸，整個導電長度由1860或者2170銅箔長度的800～1000mm變成了80mm（電池高度）。電阻降到2mΩ，內阻消耗由2W降到0.2W，直接降低一個數量級。
全極耳專利掃描
全極耳製造技術是4680圓柱電池製造中的關鍵技術，企業不會輕易公開。從特斯拉展示的生產影片來看，特斯拉釋出的裝置包括塗布、卷繞、灌裝、封裝、注液、乾燥、化成、分容以及各種高速傳輸裝置等，恰恰未公佈其最核心的電芯組裝裝置（見圖4）。合肥國軒高科動力能源有限公司在《一種全極耳圓柱鋰離子電池自動化組裝工藝》專利申請中公佈了一種全極耳圓柱鋰離子電池自動化組裝工序：揉平、包膠、入殼、集流盤焊接、合蓋、周邊焊和氦檢。具體操作如下。
- 揉平工序：將卷芯正負極兩端的全極耳整形、揉擠成平面且高出隔膜一定距離，便於後續焊接集流盤。
- 包膠工序：將揉平後的卷芯正負極兩端包覆絕緣膠帶，防止全極耳與金屬殼體接觸發生短路。
- 入殼工序：頂推裝置將包覆絕緣膠帶後的卷芯推入殼體。
- 集流盤焊接工序：將正負極集流盤分別焊接在卷芯正負極揉平後的兩個端面上。
- 合蓋工序：將集流盤、蓋板經過預定角度的彎折、擠壓並與殼體緊密結合，實現集流盤與蓋板的鉚合連線，再經預點焊定型。
- 周邊焊工序：將合蓋好的圓柱鋰離子電池進行周邊封口焊接。
- 氦檢工序：將周邊焊後的圓柱鋰離子電池採用氦檢裝置進行氣密性檢測，氣密性合格的電池繼續流轉，氣密性不合格的電池進行返工或報廢。
全極耳與集流盤或殼體連線中，對鐳射焊接技術要求較高：從傳統兩個極耳的點焊到全極耳面焊，焊接工序和焊接量都變多，鐳射強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊，目前電池良好率已到80%，但仍不到量產的水平（90%以上）。按照預期，特斯拉和松下將在2022年實現量產，LG化學預計在2023之後量產。國內企業億緯鋰能和比克電池也都發布了4680電池產品，近兩年也能達到量產水平。
全極耳專利掃描
截止到發稿時，我國全極耳（無極耳）專利共有349項，其中關鍵詞“圓柱+焊接”的專利為89項，如圖5和圖6所示。以下摘錄兩篇專利文章，以便讀者對圓柱電池全極耳生產工序有個大概瞭解。
1.一種全極耳圓柱形卷芯的極耳整形及焊接方法
（1）申請人 上海比耐資訊科技有限公司。
（2）方法 該全極耳圓柱形卷芯焊接的製備方法如下：
- 全極耳圓柱形卷芯負極端面整形。
- 負極絕緣環安裝。
- 負極集流圈安裝。
- 負極耳與負極集流圈內壁弧形焊接。
- 正極端面也可採用同樣的整形工藝和焊接方式。
（3）技術效果和優點 圓柱形卷芯的極耳透過整形而非切極耳方式形成，可以有效減少裝置投入，提高生產效率，降低生產成本。整形後的環形極耳與環形正負極環形集流圈在高出卷芯體的側面焊接，而非在卷芯體端面焊接，可以避免端面焊時焊穿銅鋁箔揉平面進而燒傷隔膜，提高成品合格率，降低材料損耗，大幅減少電池的短路和自放電風險。
圖7所示為負極耳與負極集流圈焊接示意圖，採用超聲焊、電阻焊、氬弧焊、鐳射焊等方式中的任意一種或多種焊接方式，將環形負極耳與負極集流圈焊接起來。焊接區域在高出卷芯體側面，而非在卷芯體端面，可以避免端面焊接時焊穿整形下壓的箔材，進而燒傷隔膜；同時，整形下壓的箔材可以有效阻檔焊渣進入卷芯體內，減少電池短路和自放電風險。
2.一種圓柱型電池無極耳焊接的製備方法
（1）申請人 東莞市創明電池技術有限公司。
（2）方法 該圓柱型電池無極耳焊接的製備方法如下：
- 將正、負極片基材採用縱向間歇式塗膜，分切後分別得到一邊形成留白的正極片和負極片。
- 將正極片、隔膜、負極片依次進行層疊後繞捲成卷芯，並使得正、負極片設定有留白的一端分別置於所述隔膜兩長邊的外側、且所述隔膜邊緣外露有留白。
- 將外露的留白箔材進行拍平處理，形成平整光滑的正負極箔材檯面。
- 使用帶凸臺的負極集流體壓置於所述卷芯的負極箔材檯面，進行鐳射焊接形成負極焊接焊點。
- 使用帶中心孔的正極集流體壓置於所述卷芯的正極箔材檯面，進行鐳射焊接形成正極焊接焊點。
如圖8所示，焊接的焊斑圓心之間的間距為焊斑直徑的0.5～1.0倍，間距過小容易使焊點疊加而造成過焊，間距過大易造成焊接不牢的現象。所述焊點數量及排列形狀可自行控制。為了獲得焊點均勻、穩定，焊接效果好的圓柱型電池，作為優選實施例，所述焊點形成的圖形為軸對稱圖形。
