鉅大LARGE | 點擊量：233次 | 2024年01月20日
圓柱/方形/軟包動力鋰電池，誰能主宰江山？
這本來是一篇很乏味的技術科普文章，我們也思考過大家是否會對這些技術細節(jié)感興趣。但我相信肯定有人會對電池為何非要做成三種形狀存在興趣。同時未來在新能源汽車的技術發(fā)展上，如何能從電池上找到突破口，在這期內容中你都能找到答案。
動力電池與儲能電池是目前電池技術應用的兩大場景，儲能電池對應著太陽能等設備，動力電池則對應著新能源汽車。而曾經(jīng)以日韓企業(yè)為首的電池技術企業(yè)，很早以前就將動力電池的封裝種類歸為了三大形式：圓柱形、方形以及軟包，直觀上它們的不同點只在于形狀上，但同時它們在技術開發(fā)和應用角度上也有著不同，那么小小的電池會因為形狀不同而發(fā)生怎樣的區(qū)別?這就是我們本期的主要內容。
日本SONY公司在1992年發(fā)明了18650鋰電池，其也成為目前最常見的圓柱形電池設計，例如5號、7號堿性電池都是采用這種形狀設計。而在之后的時間里，由于電池的應用場景變多，以三星SDI為首的方形電池和LG華為為首的軟包電池設計也進入市場，目前三類技術也均在新能源汽車產(chǎn)品中進行應用。
對于在新能源汽車，三類電池目前市場格局也比較穩(wěn)定，沒有最好只有更好，不同國家不同車企對于三類電池技術的認可度也不同。我在不久前參加了一場軟包電池的技術培訓，所以也想在今天的內容中和大家聊聊，反饋到我們實際應用層面，這三類不同形狀的電池到底有何區(qū)別。
變標不變本，形狀無論如何變也要遵循基本原理
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
因為制造封裝的方式不同，三類電池在形狀上有明顯的區(qū)別。但與電池本身的工作原理不存在影響，制造方式主要針對的是不同的工況標準，設備應用以及更多樣性的舉一個不是很嚴謹?shù)睦?，就像是蛋糕被做成了不同的形狀，但原料烘焙發(fā)酵的原理都是一樣的。簡單來講，鋰離子在電解液中由負極到正極，完成一次放電，再由正極回到負極，完成一次充電。所以三種不同形狀的電池設計，都會遵守電池本身的技術原理，但由于形狀的不同，在制造成型上分成了卷繞和疊加兩種不同的工藝。
圓柱形電池
所有三種形狀的電池將通過圓柱卷繞、方形卷繞以及方形疊加最終變成了圓柱、方形以及軟包電池。但目前在制造標準上只有圓柱形電池擁有一致性，例如我們熟知的圓柱形電池，分為了14650、18650、21700等型號，很多人都認為這是一種電池類型，但其只是代表了圓柱形電池的尺寸標準。以18650型為例，其是目前最為成熟的圓柱形電池標準，而21700型正在通過不斷的技術進步，有可能在接下來取代18650型成新能源汽車的首選圓柱形電池產(chǎn)品。
方形電池
而方形電池的可塑性會更強一些，可以根據(jù)搭載產(chǎn)品的具體需求而進行定制化的設計。所以導致了大小不一，目前無論制造工藝或者應用標準，并沒有圓柱形電池那樣清晰的標準劃分。但也正因為其靈活性高，曾經(jīng)長時間的應用在早期的新能源汽車中，車企可以根據(jù)車型需求而對方形電池尺寸進行定制化設計，而不用受到圓柱形電池標準的限制。方形電池也曾經(jīng)被認為是最適合新能源汽車應用的電池設計。目前方形電池在很多車型上都采用了，比如寶馬的i系列車型，榮威ERX5，蔚來的ES8以及未來將上市的車和家的增程式SUV。
軟包電池
軟包電池則因為采用了疊加的制造方式，所以追求的是更加纖薄的體積，在同容量密度下重量也是最輕的。同樣，軟包電池也可以根據(jù)應用需求進行定制，小到我們手機電池的大小，大到應用在新能源汽車上。軟包電池也一直被業(yè)內作為移動設備上的首選，但在汽車應用上，也因為其體積的可控性同樣被汽車品牌所看重，尤其針對插電式混合動力車，在兼顧整車布局和重量時，軟包電池體積優(yōu)勢更加明顯。目前通用旗下別克的VELITE5/VELITE5、凱迪拉克CT6插電、XT5混動版車型、日產(chǎn)的軒逸純電都采用的是軟包電池。
點評：三類電池設計各自以“換湯不換藥”的方式在市場中分得一席之地，從設計的角度上三者沒有絕對的好與壞。但最為成熟的圓柱形電池因為擁有了固定的全球標準，從制造到應用上，整套流程的嚴謹性會更高，電池企業(yè)根據(jù)標準造電池，而車企也根據(jù)標準來設計應用，擁有很強的一致性。中國在方形電池技術上曾試圖以歐洲地區(qū)的VDA標準作為模板，但引用的企業(yè)并不多，最早選擇使用方形電池的車企，也在逐漸更換為圓柱形電池，就是為了確保產(chǎn)品安全標準的一致性。
方形以及軟包電池的突出優(yōu)勢就是可定制化，也因此出現(xiàn)了標準不一、工藝不一，車企與電池供應商必須在設計與工藝要求上達成嚴格一致，顯然對雙方都有了更高的研發(fā)成本付出。目前車企對于這三類電池都有自己的喜好和看法，會選擇自己更認可的類型而進行產(chǎn)品研發(fā)，畢竟用戶關心的是車輛續(xù)航表現(xiàn)以及更好的配重與布局，不存在對電池形狀的喜好。下面我們再來聊聊，在不同形狀下，三種電池設計在能量密度以及安全性上，各自又有什么樣的優(yōu)勢呢?
2、下個十年，誰會是技術趨勢?
在追求能量密度和體積重量上，如何分出勝負
三類電池設計在外形不同的基礎上，也擁有了各自的特性，三者能夠通過外殼用料以及內部設計對單體電池的能量密度、安全性以及重量造成影響。我們再拿蛋糕來舉個例子，餡料代表了單體電池的能量密度，而面粉代表了外殼包裝材料選擇。
不銹鋼外殼曾經(jīng)一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料，因工藝標準要求的不同，更輕的鋁制外殼在方形電池上快速推廣，也在重量上形成了優(yōu)勢。而軟包電池且因追求更加纖薄的工藝，采用了比鋁外殼重量更輕的鋁塑膜包裝，其纖薄的程度你甚至可以用手感覺到內部液態(tài)電池的流動。
外殼用料的不同除了直接對單體電池重量有影響以外，對電池的安全、發(fā)熱等環(huán)節(jié)來講也有影響，畢竟最終一個個的單體電池要封裝成組后放到車內。鋼殼最硬也最重，它需要兼顧到安全工藝難度也相對低一些，而鋁膜外殼最軟最輕，在單體制造以及封裝成組時，兼顧到的散熱和碰撞安全也要求更高。而方形電池會根據(jù)對外殼材料選擇的不同，存在同樣的優(yōu)劣勢。
不要小瞧單體電池重量這件事，這對于最終封包成組放到車內將有多層面的影響。更輕的電池組能讓整體車重更低，從而也為車企提供了更多的布局方法。隨著技術的進步，越輕的單體電池在兼顧能量密度上的空間也越大。例如車輛在設計時限制只能裝載一套300公斤的電池組，顯然單體越輕，整個電池組的能量也就越高。
而使用鋼殼的圓柱以及方形電池，在安裝到車身上時控制配重的方案就比較單一。例如目前主流采用圓柱形電池組的新能源車，電池組的布局都在車身的正下方，這樣才能保證即便重一些也不會影響整車的前后配重，但對車輛的離地間隙和車廂內的地臺高度都會有影響。而有一些插電式混合動力車，會把圓柱形電池組放在后備廂下方，通過與車頭發(fā)動機的重量進行配比，來均衡整車的配重，但結果就是后備廂的空間會變的很小。
電池形狀不同，在封裝成組的安全性和散熱等問題上，三類電池也出現(xiàn)了不同的優(yōu)劣勢。圓柱形電池雖然重且能量密度低，但在封包時圓柱與圓柱之間形成了很好的散熱空間，而方形則不同，如果不留縫隙緊緊的排列在一起，除了散熱是問題之外，單體與單體之間的安全性也難以保障。而軟包電池在封裝上會更加復雜，要安全、要保證散熱，還要不損失軟包本身纖薄體積的優(yōu)勢，可想而知在封裝成組環(huán)節(jié)上有多復雜。很多車企會慎重考慮三類電池設計在封裝環(huán)節(jié)的成本投入，目前來講，依靠工藝難度和成本更低的圓柱形電池是現(xiàn)階段的好選擇。
點評：簡單來講，如果方形電池也擁有和圓柱型電池一樣的行業(yè)標準，那么兩者在應用上的優(yōu)劣勢基本也在同一水平線上。但軟包電池因為設計靈活性則更強，且兼具了重量低、能量密度高等更明顯的優(yōu)勢，在未來會成為更多車企首選的電池類型。但反之對于制造工藝的要求也要明顯高于前兩者，生產(chǎn)、封裝中額外的成本和技術要求，都變相加大了新能源汽車的終端售價。所以軟包電池極端的優(yōu)劣勢也讓一些車企望而卻步，目前采用軟包電池的新能源車型比例也是最少的。說白了，在成本面前，更多企業(yè)還是選擇了向其它兩者妥協(xié)。
另外，單體電池類型只是車企在選擇研發(fā)方向的角度之一，封裝技術也是尤為關鍵的環(huán)節(jié)。目前一線的新能源車企都擁有自己的電池實驗室，他們在供應商提供的電池原型基礎上做二次研發(fā)，最后再把研究方案反推給供應商，兩者一起敲定所需的電池方案。然后再由自己或者供應商完成封裝的工作，最后一步經(jīng)過縝密的配重布局完成裝車。過程中所有環(huán)節(jié)都存在利弊權衡，也是反推回車企到底會選擇哪一類電池類型的關鍵。
拉近甚至反超，中國電池企業(yè)與車企的合作共贏
從單體電池到車輛應用，車企與電池企業(yè)之間有著密切的合作關系。例如圓柱形電池的應用上，松下與特斯拉保持了多年的技術同盟，美國通用汽車也與LG化學在軟包電池技術上達成技術共識。在此之前，三星SDI也與寶馬在方形電池上也有大量的技術合作。
電池供應商來決定了可靠的電池基礎工藝，車企的二次研發(fā)決定了電池應用到車輛上最終續(xù)航、配重以及安全這三大主要問題上的表現(xiàn)。三類電池的核心技術曾經(jīng)長時間的被日韓企業(yè)所掌握，也成為了之前新能源車企首選的電池供應商。而近兩年，中國電池以及新能源車企與國外相比，不但在電池技術與應用層面有了大幅度的拉近，且在產(chǎn)能、品控以及實際應用表現(xiàn)等層面都有更多話語權，國外車企選擇中國電池企業(yè)作為首選供應商已經(jīng)成為常態(tài)。
到2018年，中國電池企業(yè)已經(jīng)具備了圓柱、方形以及軟包電池制造的全面技術能力，并且在三類電池的單體能量密度上也有十足進步。近幾年中，中國電池企業(yè)也從圓柱、方形電池向軟包電池技術過渡，以寧德時代、力神、國軒高科為首的幾家企業(yè)正在選擇采用軟包電池技術路線。
同時，隨著國內新能源汽車補貼標準對電池能量密度提出了更高要求，軟包技術成為了電池實現(xiàn)輕量化和高密度化的重要手段，今年年初寧德時代、力神、國軒高科三家承擔新型鋰離子動力電池項目的企業(yè)，均選擇了軟包電池技術路線，單體電芯能量密度均達到300Wh/kg。但其對高制造工藝的要求，也要求著相關后市場技術的提高，例如外包裝鋁塑膜的工藝和產(chǎn)能，高精密度的疊片、電解液注射和封裝設備技術。
但在通往軟包電池的技術之路上，仍有很多現(xiàn)實問題。首先是鋁塑膜技術成本高、國產(chǎn)技術水平有限，尤其是在疊片技術工藝上的把控，要求要比卷繞要求更高，品控問題會直接影響電池壽命以及安全問題。想保持產(chǎn)能和品控的同步增長，電池企業(yè)與車企間的同心協(xié)力更為關鍵。
總結：在新能源爆發(fā)前，都有可能成為趨勢
幾年前，中國新能源汽車的動力電池以磷酸鐵鋰方形電池為主，因為當時中國企業(yè)自有的圓柱型電池技術以及成本控制能力相比海外并不突出。而在車企角度，可定制化的方形電池更利于快速研發(fā)和設計新能源車型。現(xiàn)在來看，為了更快的拿出成績，當時電池和汽車企業(yè)將方形電池作為了過渡性技術，而當前，圓柱形三元鋰電池已經(jīng)成為了新的主流。
但這并不代表誰將會成為最終的技術代表，圓柱、方形以及軟包電池目前對于市場而言都具有各自的獨特價值，誰能成為新的趨勢也同樣會受到車型研發(fā)速度的影響。而對于我們而言，它們各自的優(yōu)勢能否被車企最終在產(chǎn)品力上最大化的展現(xiàn)出來，才是真正值得我們關心的問題。白貓黑貓，能抓老鼠的都是好貓，軟包圓柱，跑的遠的都是好電池。
上一篇：破解動力鋰電池回收難題的建議
下一篇：燃料動力電池是不是新能源的希望
