干货|方形电池结构件设计与分析

一、方壳电芯结构件概述

方壳电芯结构件在锂电池中占据着至关重要的地位。它主要起到传输能量、承载电解液、保护安全性、固定支承电池、外观装饰等作用，对锂电池的安全性、密闭性、能源使用效率等都具有直接影响。

从市场占比情况来看，根据相关数据显示，2022 年中国锂电池结构件市场规模达 338 亿元，同比增长 93.2%。其中，方形电池结构件长期以来占据结构件市场主要份额，占比高达 90.7%，圆柱电池结构件占比仅为 9.3%。这主要是因为中国新能源汽车市场在国家政策的大力支持下获得快速发展，动力电池企业产能规模和单笔订单电池数大幅增长，而方形电池更能适应这种大规模生产的需求。

方壳电芯结构件通常由壳体和盖板组成。壳体制造相对简单，主要采用连续拉伸工艺，一般采用钢壳或铝壳，结构强度高，承受机械载荷能力强。盖板的制造工艺复杂度通常远高于壳体，其主要功能包括固定 / 密封功能、电流导通功能、泄压功能、熔断保护功能和降低电腐蚀功能等。例如，顶盖与铝壳激光焊接，包裹固定裸电芯并实现密封作用；顶盖极柱、转接片和电芯极耳焊接导通，保证电芯充放电电流导通；当电池出现异常，内部气压增大时，顶盖防爆阀将开启进行泄压，降低爆炸风险等。

方壳电芯结构件在锂电池中起着不可或缺的重要作用，其市场前景也随着新能源汽车和储能市场的发展而日益广阔。

二、结构件类型及作用

（一）壳体

壳体作为方壳电芯结构件的重要组成部分，在固定、保护、密封和散热方面发挥着关键作用。壳体是电芯内活性物质与外界全生命周期的屏障，对内部电化学系统起到固定作用，确保电芯在各种环境下保持稳定的结构。在保护方面，壳体能够承受一定的机械载荷，防止外部冲击对电芯造成损坏。密封作用则保证了电解液不会泄漏，维持电池的正常工作状态。同时，壳体还能帮助散热，将电池工作过程中产生的热量散发出去，提高电池的安全性和使用寿命。

壳体的生产工艺主要包括原材料分切、精密连续拉深、切口、清洗、烘干、检测等环节。其中，精密连续拉伸技术是壳体生产的难点所在。在这个过程中，需要保障壁厚的均匀性，防止出现断裂。相比常规一次冲压成型，精密连续拉伸难度更大，其核心壁垒在于模具和拉伸设备。高质量的模具和先进的拉伸设备能够确保壳体的尺寸精度和性能稳定性。

（二）盖板

盖板在方壳电芯结构件中起着至关重要的作用，具有连接、隔离、密封和防爆等功能。

钢帽位于盖板顶端，具有较大强度，在受外力时不易变形，起到保护防爆铝片的作用，同时也是电池之间 PACK 连接的部件。密封圈位于盖板最外围，将组合盖帽内部金属件与电池钢壳隔离，起到绝缘作用，防止电池内部短路，在电池封口后还起到密封的作用。防爆组件主要用于电池过载时的断电与释压，以防止电池内压过高而发生爆炸，由隔离圈、防爆铝片和连接铝片组成。其中，防爆铝片位于盖板中部，是决定电路切断和释放临界压力的核心组件，在电池内压到达一定值时自动爆破泄压，保障电池的使用安全；连接铝片位于盖板底部，通过激光焊接与防爆铝片连接，在电池处于危险状态时与防爆铝片断开连接；隔离圈位于连接铝片与防爆铝片的连接处，起到隔离、绝缘作用。

盖板的生产流程较壳体复杂，主要包括冲制 & 注塑、组件检验、涂胶、浸沥青、包边整形、点焊、组件装配、点焊、成品装配、检验入库等环节。检测环节包括防爆压力测试、氦气密封性测试、内阻测试、电阻测试。生产流程中较难的环节为冲压、焊接部分，包括钢帽冲压、防爆铝片冲压、连接铝片冲压、密封圈冲压、隔离圈冲压、安装极柱时的摩擦焊接、组装时的激光焊接等。

（三）电池模组链接片

电池模组链接片在动力电池模块中起着重要的连接作用。它大多采用多层材料复合材料的方法，其中一层材料是连接件和极柱之间的连接层，以保证焊接性能。采用多层材料叠加，能够保证连接片的导电性。连接板基板经过多层箔堆叠后加工成型，可形成柔性区域，用于补偿动力电池芯部膨胀引起的位移，减小对低强度界面的影响。动力电池模块的连接件一般为矩形、梯形、三角形、台形等形状，连接面粘贴 0.1 厚的镀镍铜箔，焊接时表面在高温下容易氧化变色，需要在不破坏产品表面涂层的情况下进行抛光清洗。

三、设计案例分析

（一）新型防爆阀设计

在一种新型方壳电芯结构中，将防爆阀设置在正负极反侧且朝向地面，这一设计带来了诸多优点。首先，通过这种布局，电芯上部空间不需要预留防爆空间，极大地节约了电芯壳体内部空间。据相关研究数据表明，这种设计能够使体积能量密度提高约 [X]%。其次，在实际应用中，若产品因温度过高热失控，防爆阀爆破后对驾驶室和座舱人员无危害，有效地消除了人身危害。

例如，在实际的新能源汽车应用场景中，这种新型方壳电芯结构能够为驾乘人员提供更高的安全保障。

（二）集成式设计

在某些方壳电芯结构的制作方法案例中，液冷板、汇流片和采样线束采用集成设计。这种设计具有显著的优势。一方面，液冷板能够快速降低电芯温度，确保电芯在适宜的温度范围内工作，从而提升电芯性能和使用寿命。例如，在实际测试中，采用集成式液冷板的方壳电芯在连续高负荷工作状态下，温度能够比传统设计降低 [X]°C。另一方面，集成设计减少了零部件数量，简化了安装工艺，提高了生产效率。同时，集成式设计还能够降低整体成本，提高产品的市场竞争力。

（三）全极耳组装结构

全极耳方壳电芯结构中的卡簧片设计独具匠心。卡簧片由第一平板与第二平板组成，呈弹性金属材质的 V 型结构。这种设计在连接极耳与盖板方面具有显著优势。首先，弹性的 V 型卡簧片利用自身的回弹力，使其两面分别抵紧在盖板和极耳表面，达到电性连接的目的。弹性力的作用更有利于提高界面间的接触导通性，只要弹性力存在，该导通性就存在，因此可以不用焊接连接，降低了组装的难度。其次，该卡簧片的导通截面积取决于第一平板与第二平板之间的接连处截面积，相比常规的转接片和焊接点的连接而言更大。例如，在实际测试中，采用卡簧片连接的全极耳方壳电芯的过流能力比传统焊接方式提高了 [X]%。

（四）固定结构设计

用于方壳电芯的固定结构及电池模组箱体的制作方法具有很高的实用价值。该设计包括电池底盘、电池顶部固定帽和打包带的组合。电池底盘上设有与方壳电芯底部相适配的第一电池固定槽，能够将方壳电芯底部卡紧。电池顶部固定帽上设有与方壳电芯顶部相适配的第二电池固定槽，将方壳电芯顶部卡紧。最后，打包带套设在电池底盘与电池顶部固定帽上，形成单个电池组固定结构。此外，电池模组箱体还设有防滑组件和顶部分隔固定板。防滑组件包括设于电池模组箱体外壳内部两侧的滑道及设于电池模组箱体外壳底部的限位筋条，能够对每个电池组固定结构进行限位，防止其产生晃动。顶部分隔固定板可拆卸连接在电池模组箱体外壳上，能够对若干个电池组固定结构顶部形成压紧固定。这种设计提高了方壳电芯的固定安全性，为储能电池箱的应用提供了可靠的保障。

四、设计要点总结

方壳电芯结构件的设计要点众多，这些要点对于提高锂电池的安全性和性能起着至关重要的作用。

（一）注液口密封设计

注液口的密封设计直接关系到电池的安全性和使用寿命。宁德时代设计的注液口密封钉，由金属部和橡胶部组成，与注液孔接触处均为过盈配合，且注液孔内设有凹陷，密封钉橡胶部对应设有突出部可卡合于凹陷部中。这种设计可以在低温下冷却装配，有效防止金属毛刺和颗粒的产生，实现注液孔的可靠密封。同时，橡胶部能阻止金属毛刺和颗粒落入电池壳体内，保证电池安全性能。采用机械密封结构，无需激光焊接，工艺简单，可显著降低成本。

（二）正负极极柱设计

正极极柱通常采用铝极柱，负极极柱采用铜铝复合极柱，主要起到电流导通作用。在电池中，顶盖极柱、转接片和电芯极耳焊接导通，保证电芯充放电电流导通；在模组中，顶盖极柱与汇流排激光焊接、螺栓连接，形成串 / 并联。此外，将铝壳和正极极柱直接导通可以消除二者的电位差，避免铝壳腐蚀。

（三）增加正极极柱电阻

正极与铝壳之间电阻很小，为毫欧姆级别，电池发生短路时回路电流很大，容易出现打火引发电池着火，存在较大安全隐患。目前，通常在铝壳的顶盖片和电池正极极柱之间添加导电塑胶或者碳化硅，来增加铝壳和正极之间的导通电阻。宁德时代还设计了正极极柱和顶盖片之间的 PTC 热敏电阻，利用其阻值随温度变化的特性，在动力电池发生外短路时，能尽快消耗电池内部能量，避免过高热量对电阻形成热冲击，既不存在小电阻易于熔断的问题，又能避免温度过高导致的电池着火或电阻熔断等问题。

（四）防爆片和翻转片的设计

一般磷酸铁锂体系电池顶盖采用单个防爆阀设计，防爆阀开启压力一般为 0.4~0.8MPa。当内部压强增大并超过防爆阀的开启压力时，防爆阀将从刻痕处破裂并开启进行泄压。三元体系电池除了采用防爆阀外，还会叠加 SSD 翻转片组合设计形式，防爆阀开启压力和 SSD 翻转压力一般分别为 0.75~1.05MPa、0.45~0.5MPa。当电池内部压强增大至 SSD 翻转压力时，翻转片向上顶起，快速切断电流，同时铝连接片 Fuse 熔断，使顶盖正负极直接短路，快速切断电流。

方壳电芯结构件的设计要点涵盖了注液口密封、正负极极柱设计、增加正极极柱电阻以及防爆片和翻转片的设计等多个方面。这些设计要点相互配合，共同提高了锂电池的安全性和性能，为新能源汽车和储能市场的发展提供了坚实的技术支持。