一、引言

隨著應用需求的不斷提高，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，對于優化鋰電池性能、推動行業發展具有重要意義。

二、生產工藝限制

（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鍵環節，但存在天然的結構限制。

1. 內部空間利用率問題

卷繞過程中，極片與隔膜需通過卷針連續纏繞，形成“多層疊加”的結構。由于卷針的彎折區域（如方形卷針的邊角）和焊接區域（極耳連接處）無法完全填充活性材料，導致內部空間利用率較低。為了補償容量損失，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）會導致極片張力波動（線速度變化可達 10 倍以上），引發“S”變形（極片扭曲）或內部褶皺。為避免這些問題，需適當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）膨脹與熱失控風險

1. 電極膨脹

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

2. 熱管理挑戰

大直徑電芯的內部熱阻增加，充放電時熱量難以擴散，導致內部溫差擴大（如頂部與底部溫差可達 5 - 10℃）。溫度不均會加速電極材料老化，同時增大熱失控風險（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一步增大的重要因素之一。

四、安全與結構設計

（一）極片對齊與隔膜完整性

大直徑電芯的卷繞層數更多，極片與隔膜的對齊精度要求更高。若張力控制不當，易出現極片偏移、隔膜褶皺，導致正負極直接接觸（短路）。短路是鋰電池安全的重大隱患，可能引發熱失控、起火甚至爆炸等嚴重后果，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大。

（二）熱失控防護

電芯直徑增大時，熱失控排氣路徑（從內部到外殼的距離）變長，高溫氣體無法及時排出，會加劇內部壓力累積，增加爆炸風險。為了保證電芯的安全性，需要在熱失控防護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

圓形卷針會導致極耳變形，扁菱形卷針需通過變張力卷繞（張力隨層數增加而減小）或變轉速卷繞（線速度波動降低）來減少變形。但這些工藝調整需犧牲部分生產效率，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大存在一定的阻礙作用。

2. 設備精度要求

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），現有設備的精度限制了電芯直徑的進一步擴大。設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，導致內阻增加（效率下降約 2 - 5%），需通過全極耳設計（縮短電流路徑）彌補。在追求高容量的同時，需要解決內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，因內部離子擴散距離增加。為平衡容量與功率，需優化極片材料（如高倍率石墨）或結構（如多極耳設計），但這也會增加制造難度。容量和功率之間的平衡問題是導致電芯直徑增大面臨挑戰的重要原因之一。

七、總結

鋰電池電芯直徑過大是生產工藝限制、材料特性、安全設計、設備適配及性能需求共同作用的結果。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。