鉅大LARGE | 點擊量：2072次 | 2020年03月16日
軟包/方形/圓柱電池有何差異？
2020年二月三日，寧德時代正式公布通告，將成為特斯拉鋰離子電池供應(yīng)商，供貨有效期為兩年，從2020年七月一日開始到2022年六月三十日。寧德時代將以訂單量的形式向特斯拉供應(yīng)電池，是圓柱電池？還是方形電池又或者是軟包電池？成為目前消費(fèi)者非常關(guān)心的問題之一。
在寧德時代公布的通告中，并沒有提及為特斯拉供應(yīng)的是何種電池類型，有內(nèi)部人士告訴新出行，寧德時代未來為特斯拉供應(yīng)的將是方形電池。同時也有另一種猜想：寧德時代為特斯拉供應(yīng)的電池只使用在ModelY上。拋開猜想，準(zhǔn)車主們先要了解的是電動汽車電池都有哪些形式？優(yōu)缺點是什么？哪一種會是未來的發(fā)展大趨勢？今天的文章為大家準(zhǔn)備了一些科普小知識。
三種形式：圓柱電池、方形電池、軟包電池
圓柱電池顧名思義即和我們常見的五號電池相似的圓柱型電池
方形電池同樣不難理解，即由方形鋁合金外殼加固包裹的電池
軟包電池樣如其名，由鋁塑復(fù)合膜作為封裝材料的軟質(zhì)電池
簡單理解：這三個種類重要都是在電池的外型上做區(qū)分。以目前市面上主流的電動汽車為例，特斯拉旗下全部車型都采用的是圓柱電池，國產(chǎn)車型只有零跑S01、奇瑞小螞蟻、江淮iEV6E這樣的小型車使用和特斯拉相同的18650電池；蔚來全系、比亞迪等國產(chǎn)車型大多采用的是方形電池；奔馳EQC、奧迪e-tron以及保時捷Taycan用的是軟包電池，接下來我們?yōu)榇蠹以敿?xì)的介紹這三種類型的電池都有什么優(yōu)點和缺點。
圓柱電池：發(fā)展時間長，技術(shù)最成熟
優(yōu)點：技術(shù)成熟成本較低、穩(wěn)定耐用、單體能量密度高、單體一致性好
缺點：能量密度的上升空間小、大量組合對BMS要求高
常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池。鋰離子電池標(biāo)稱電壓為3.7V，充電截止電壓為4.2V，磷酸鐵鋰離子電池標(biāo)稱電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V，容量通常為1200mAh-3350mAh，常見容量是2200mAh-2600mAh。這種電池的表現(xiàn)為容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流放電、電化學(xué)性能穩(wěn)定、使用安全、工作溫度范圍寬、對環(huán)境友好。
最早的圓柱形鋰離子電池是由日本SONY公司于1992年發(fā)明的18650鋰離子電池，因為18650圓柱型鋰離子電池的歷史相當(dāng)悠久，所以市場的普及率非常高，一個典型的圓柱形電池的結(jié)構(gòu)包括：正極蓋、安全閥、PTC元件、電流切斷機(jī)構(gòu)、墊圈、正極、負(fù)極、隔離膜、殼體。圓柱型鋰離子電池采用相當(dāng)成熟的卷繞工藝，自動化程度高，產(chǎn)品傳品質(zhì)穩(wěn)定，成本相對較低。圓柱電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以比喻一個驢打滾、豆皮卷、千張卷盤踞在外殼之內(nèi)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
它還有諸多型號，比如常見的有14650、17490、18650、21700、26650等，以18650為例，18指的是電芯直徑為18mm，65則為高度65mm，0則代表著其圓柱形狀，其他以此類推。廣泛應(yīng)用于太陽能燈具、草坪燈具、后備能源、電動工具、玩具模型上。
電池數(shù)量過多成為電動汽車面對的棘手問題，為了滿足容量需求只能通過數(shù)量的大幅度新增來彌補(bǔ)，更大的數(shù)量關(guān)于BMS電池管理系統(tǒng)要求更高。拿特斯拉上7000節(jié)18650來說，目前也只有特斯拉的BMS電池管理系統(tǒng)才能滿足如此數(shù)量的運(yùn)算要求，這也是國內(nèi)少有廠家用18650的原因之一。除此之外，由于圓柱電池在組合成電池組時需采用鋼殼，所以其重量相對較高，理論上圓柱電池PACK后的能量密度要比其他兩種電池低。
18650換裝21700后電池能量密度提升近20%，成本也明顯低于18650，系統(tǒng)的成本預(yù)計下降9％左右，系統(tǒng)的重量預(yù)計下降10％左右，那么造更大的圓柱電池不就可以了？
這里要知道一個小知識：電池容量每上升10%，電池的循環(huán)壽命就會降低20%，電池的循環(huán)壽命和單體的電壓有關(guān)系。根據(jù)最新的測試，18650電芯和21700電芯的充電電壓峰值是4.2V，而一般的方塊電芯是3.9V左右。電池的充電電壓每降低0.10V，它的循環(huán)充電壽命可以新增一倍。按照目前18650和21700電芯，它的單體循環(huán)次數(shù)是300-500次，而方塊電芯則更長，磷酸鐵鋰的電池充電電壓是在3.6V-3.8V，超級磷酸鐵鋰電芯的工作電壓能到3.9V，所有的電芯，它并不是因為長相去決定它的循環(huán)壽命次數(shù)，而是它的本體支持的電壓。隨著電池容量上升，充放電倍率就會下降30%-40%，電芯溫度會上升20%，所以這意味著要更強(qiáng)的BMS電池管理系統(tǒng)來對電池進(jìn)行有效控制。
方形電池：當(dāng)下折中的解決方案
優(yōu)點：強(qiáng)度高、內(nèi)阻小、壽命長、空間利用率高
缺點：生產(chǎn)工藝難統(tǒng)一、散熱難度高
方形電池是目前國際領(lǐng)域應(yīng)用面最廣的電池PACK形式，國內(nèi)目前主流的蔚來、吉利等一系列新能源車企均采用方形電池。這種電池應(yīng)用面廣的最重要原因之一就是其供應(yīng)商多且技術(shù)難度相對較低，國內(nèi)絕大多數(shù)電池供應(yīng)商均選擇研發(fā)方形電池，比如耳熟能詳?shù)膶幍聲r代重要供應(yīng)的就是方形電池。
方形鋰離子電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，國內(nèi)動力鋰離子電池廠商多采用電池能量密度較高的鋁殼方形電池為主，因為方形電池的結(jié)構(gòu)較為簡單，不像圓柱電池采用強(qiáng)度較高的不銹鋼作為殼體及具有防爆安全閥的等附件，所以整體附件重量相比圓柱型電池更輕，方形電池的能量密度理論上比圓柱電池的能量密度要更高。其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、忍受機(jī)械載荷能力好，電池內(nèi)阻小，壽命長、組成后的能量密度下降小，空間利用率高。
蔚來汽車模塊化靈活裁剪電池容量專利申報圖
方型電池有采用卷繞和疊片兩種不同的工藝，雖說技術(shù)難度相對不高但也存在諸多技術(shù)上的不穩(wěn)定因素影響電池品質(zhì)。圓柱鋰離子電池工藝非常成熟，極片公有二次分切缺陷機(jī)率低，且卷繞工藝成熟度及自動化程度更高，疊片工藝目前還在采用半手工方式。方形電池易產(chǎn)生極耳虛焊影響電池品質(zhì)，邊角處化學(xué)活性能較差，長期使用電池性能下降較明顯。電動汽車采用的方形電芯也各有不同，方形電池因為要應(yīng)對不同空間的利用，就要根據(jù)不同的需求進(jìn)行定制化生產(chǎn)。但靈活性高的背后是標(biāo)準(zhǔn)化程度低，工藝很難達(dá)到統(tǒng)一，散熱難度較大。
在新能源研發(fā)初期，德國車企死守一條基本的底線不放，一切都要為安全讓路。2009年，寶馬推出搭載三星SDI方形電池的純電動汽車Megacity（i3的原型），之后i3在全球范圍內(nèi)受到歡迎，至此三星SDI才得以打開市場。
軟包電池：看看自己的手機(jī)電池就能理解
優(yōu)點：能量密度極高、重量輕
缺點：要額外防護(hù)防止電池受損和熱失控
軟包電池雖然在汽車市場上應(yīng)用的并不多，但我們對它并不陌生。我們的手機(jī)基本上采用的都是“軟包電池”，但是在3C數(shù)碼上，我們統(tǒng)稱不叫軟包電池，叫做：聚合物電池。軟包電池的優(yōu)勢與劣勢幾乎相生相隨，因為軟包電池的形狀是靈活設(shè)計的（根據(jù)客戶的需求定制，電芯也是重新制作的），所以統(tǒng)一型號的現(xiàn)有軟包電池數(shù)量太少，另外研發(fā)一套新的軟包電池組成本也挺高的。
軟包鋰離子電池是液態(tài)鋰離子電池套上一層聚合物外殼，與其他電池最大的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復(fù)合膜)，這也是軟包鋰離子電池中最關(guān)鍵、技術(shù)難度最高的材料，這也是國內(nèi)電池廠商遲遲沒有大幅度推廣軟包電池的原因之一。由于鋁塑膜在輕量化上相對鋼殼和鋁殼存在絕對的優(yōu)勢，軟包電池的重量較同等容量的鋼殼電池要輕40%，比鋁殼電池輕20%，因此軟包電池在比能量上有著先天的優(yōu)勢。軟包電池較同等規(guī)格尺寸的鋼殼電池容量高10-15%，較鋁殼電池高5-10%，能量密度上占了很大便宜。
軟包電池采用了疊加的制造方式，在體積上相比于其他兩類電池更加纖薄，所以它的能量密度在理論上是三種電池中最高的，軟包電池可根據(jù)客戶需求定制外形，可以做更薄，普通鋁殼只能做到4mm，軟包可以做到0.5mm，在電池布局的靈活性上要比另外兩類電池更好。
軟包電池與方形、圓柱電池的外殼材料不同，決定了其封裝方式也不同。軟包電芯采用的是熱封裝，而金屬外殼電池一般采用焊接(激光焊)進(jìn)行密封。假如實在很難理解可以把軟包電池看作是千層蛋糕。
軟包電池采用熱封裝的原因是其使用了鋁塑包裝膜材料，通常分為三層，即外阻層(一般為尼龍BOPA或PET構(gòu)成的外層保護(hù)層)、阻透層(中間層鋁箔)和內(nèi)層(多功能高阻隔層)。
鋁塑復(fù)合膜外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
軟包鋰離子電芯重要包括：鋁塑膜成型、頂封與側(cè)封、注液與預(yù)封、化成與整形、排氣與二封、裁邊與折邊。
但由于軟包電池內(nèi)部為疊加式設(shè)計，要在每兩片電池中間加上一層薄片，薄片中會充滿液體，通過加熱或制冷從而保證電池處于最適宜的工作溫度，這也意味著軟包電池要更加復(fù)雜的電池控制系統(tǒng)。目前奧迪e-tron、奔馳EQC、別克VELITE6、領(lǐng)克插混版等車型使用的都是軟包電池。
以別克VELITE6為例，每兩片軟包電池組成一個MINI堆垛單元的基礎(chǔ)。通過流水線焊接在一起。電芯與電芯之間由鋁制冷卻片隔開，冷卻液通過注水口注入，填充冷卻片上的“毛細(xì)管”，循環(huán)流動并帶走熱量。此外，也可以通過線圈加熱冷卻液，使電池升溫，即使在極端寒冷環(huán)境下，確保電池處于最適宜的工作溫度。兩個軟包電池、一片“毛細(xì)管”冷卻片，再加上一個模組框架和一片隔熱泡棉，就組成了一個完整的“MINI堆垛單元”。而一個電池模塊總成由26個“MINI堆垛單元”組成。
三種電池結(jié)構(gòu)的派系之爭
鋰離子電池，經(jīng)過或卷繞或疊加這兩種不同的結(jié)構(gòu)工藝完成內(nèi)部組織的生產(chǎn)之后，在外殼封裝的材質(zhì)和形狀上走了三條不同道路：圓柱、方形和軟包。雖然本質(zhì)上三種路線的電化學(xué)原理都相同，材料組成也基本相同，但就是這不同的封裝形式和形狀特征，決定了三種電池和背后生產(chǎn)廠商迥然的命運(yùn)。
方形電池生產(chǎn)公司前三名是寧德時代、比亞迪、國軒高科；軟包電池生產(chǎn)公司前三名是孚能科技、國能電池、卡耐新能源；圓柱電池生產(chǎn)公司前三名是比克電池、力神、國軒高科。
目前國內(nèi)市場，方形鋁殼占絕對優(yōu)勢，重要原因為CATL和比亞迪等龍頭公司的頭部效應(yīng)；國內(nèi)的圓柱和軟包電池公司技術(shù)發(fā)展相對滯后，這些二線公司的諸多技術(shù)與非技術(shù)問題，導(dǎo)致其裝機(jī)量較少，更加劇了方形鋁殼裝機(jī)量一枝獨(dú)秀的局面?？傮w來看，2019年車用電芯裝機(jī)量總計約62.2GWh，方形鋁殼電芯裝機(jī)占絕對優(yōu)勢，裝機(jī)量高達(dá)52.6GWh，占比約85%，是軟包的10倍，是圓柱的13倍。
半路殺出個“刀片電池”
電動汽車上的電池包由電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝電池包（Pack）里，形成了“電芯-模組-電池包”的三級裝配模式。而CTP，即CelltoPACK，是電芯直接集成為電池包，從而省去了中間模組環(huán)節(jié)。CTP電池技術(shù)可以簡單的概括為，將電芯的模組去除，直接固定在動力鋰離子電池總成內(nèi)部，而關(guān)聯(lián)的高壓線纜、通訊線纜、冷卻/預(yù)熱循環(huán)管路、BMS監(jiān)測模塊、溫度傳感器、電流傳感器等設(shè)備，都要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)或重新布設(shè)。
目前CTP有兩種技術(shù)路線，一是采用完全無模組方式，二是以大模組替代小模組的方式。近期呼聲超高的比亞迪刀片電池就是完全無模組技術(shù)方案的代表。由比亞迪開發(fā)的長度大于0.6米的大電芯，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”相同插入到電池包里面，這也是大家將其稱之為刀片電池的原因。由于去除模組，電芯直接固定在動力鋰離子電池總成內(nèi)部，就要進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)才能滿足被動安全的標(biāo)定需求。也正是因為去除了模組，動力鋰離子電池總成的自重將會不同程度的降低，相應(yīng)的提升動力鋰離子電池總成的能量密度同時，可以獲得更好的電芯散熱/預(yù)熱設(shè)定，在復(fù)雜工況充放電模式下電芯溫度差可以控制在1℃。
比亞迪“刀片電池”專利
據(jù)悉，比亞迪計劃在明年中旬推出全新一代磷酸鐵鋰離子電池，體積比能量新增50%，成本下降30%，續(xù)航里程達(dá)到600km，該電池就會采用CTP方式。而另外一種實現(xiàn)方式是以大模組替代之前小模組，并不是完全取消模組，而是把之前的小模組去掉側(cè)板，用扎帶連接起來，把模組做大，代表公司有特斯拉、寧德時代、蜂巢能源等。如下圖為特斯拉Model3電池包內(nèi)部拆解圖，可見Model3是由四個長度約2米的大模組組成，而之前特斯拉ModelS的模組為16個。
CTP不是萬能的，為何電池技術(shù)發(fā)展了20多年，到今天才用上CTP？這個要?dú)w根到鎳材料的發(fā)展，目前鎳是稀缺資源，非常昂貴的一種物質(zhì)材料。我們俗稱的NCANCM，N就是鎳，無論是NCA還是NCM，鎳的比重大概是在80%左右，泛指NCM811。在高鎳的環(huán)境下，電池的一致性非常差。以之前CMP模組化架構(gòu)來說，就是為了杜絕CTP之后電芯與電芯之間發(fā)生的摩擦，產(chǎn)生膨脹、變形、熱失控所波及到整個電池組?，F(xiàn)在所采用的CTP其實嚴(yán)格意義上來說，它單體外壁還是有一層薄膜保護(hù)體，無論是比亞迪、寧德時代、蜂巢能源，都是采用這樣的結(jié)構(gòu)。
目前采用CTP結(jié)構(gòu)的，只有特斯拉。一直以來，電池廠都是在吐槽特斯拉，一顆電芯出問題就波及到其它電芯，說的就是CTP這個痛點。作為一名普通消費(fèi)者，最多也只能了解到CTP所帶來的優(yōu)缺點，其實，這背后本質(zhì)上是電池廠商和車企的博弈。如今電池廠商做模組并非強(qiáng)贏利點，并且大多數(shù)車企自己可以做模組，例如華晨寶馬、北京奔馳、通用汽車等，反而做PACK才是可行的出路。而電池廠商只有轉(zhuǎn)變?yōu)镃TP方案，之后才有機(jī)會去做整個PACK，CTP因此也被打包和宣傳為動力鋰離子電池的下一個風(fēng)口。
編輯總結(jié)
隨著電池不斷發(fā)展，軟包電池在新能源汽車市場的滲透率將持續(xù)提升，當(dāng)方形電池技術(shù)逐漸接近瓶頸期時，更有挖掘潛力和技術(shù)優(yōu)勢的軟包電池就會成為替代者，而對目前準(zhǔn)備購買新能源汽車的消費(fèi)者來說，電池品質(zhì)仍然是購車前要考慮的重要一項，目前階段來看各種形式的電池都可選擇并沒有絕對性的優(yōu)勢和劣勢，圓柱形電池技術(shù)成熟可靠性較高，方形電池則處于居中位置，軟包電池則屬于技術(shù)最為先進(jìn)的梯隊但對工藝的要求也相對較高因此可靠性上畫了一個問號。
