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新出行课堂 | 软包/方形/圆柱电池有何差异?谁是未来的王者
陈岳松 7个月前

2020 年 2 月 3 日,宁德时代正式发布公告,将成为特斯拉锂离子电池供应商,供货有效期为两年,从 2020 年 7 月 1 日开始到 2022 年 6 月 30 日。宁德时代将以订单量的形式向特斯拉供应电池,是圆柱电池?还是方形电池又或者是软包电池?成为目前消费者非常关心的问题之一。


在宁德时代发布的公告中,并没有提及为特斯拉供应的是何种电池类型,有内部人士告诉新出行,宁德时代未来为特斯拉提供的将是方形电池。同时也有另一种猜想:宁德时代为特斯拉提供的电池只使用在 Model Y 上。抛开猜想,准车主们先要了解的是电动汽车电池都有哪些形式?优缺点是什么?哪一种会是未来的发展大趋势?今天的文章为大家准备了一些科普小知识。


三种形式:圆柱电池、方形电池、软包电池
圆柱电池顾名思义即和我们常见的五号电池相似的圆柱型电池
方形电池同样不难理解,即由方形铝合金外壳加固包裹的电池
软包电池样如其名,由铝塑复合膜作为封装材料的软质电池

简单理解:这三个种类主要都是在电池的外型上做区分。以目前市面上主流的电动车为例,特斯拉旗下全部车型都采用的是圆柱电池,国产车型只有零跑 S01、奇瑞小蚂蚁、江淮 iEV6E 这样的小型车使用和特斯拉一样的 18650 电池;蔚来全系、比亚迪等国产车型大多采用的是方形电池;奔驰 EQC、奥迪 e-tron 以及保时捷 Taycan 用的是软包电池,接下来我们为大家详细的介绍这三种类型的电池都有什么优点和缺点。


圆柱电池:发展时间长,技术最成熟

优点:技术成熟成本较低、稳定耐用、单体能量密度高、单体一致性好
缺点:能量密度的上升空间小、大量组合对 BMS 要求高

常见的 18650 电池分为锂离子电池、磷酸铁锂电池。锂离子电池标称电压为 3.7V,充电截止电压为 4.2V,磷酸铁锂电池标称电压为 3.2V,充电截止电压为 3.6V,容量通常为 1200mAh-3350mAh,常见容量是 2200mAh-2600mAh。这种电池的表现为容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流放电、电化学性能稳定、使用安全、工作温度范围宽、对环境友好。


最早的圆柱形锂电池是由日本 SONY 公司于 1992 年发明的 18650 锂电池,因为 18650 圆柱型锂电池的历史相当悠久,所以市场的普及率非常高,一个典型的圆柱形电池的结构包括:正极盖、安全阀、PTC 元件、电流切断机构、垫圈、正极、负极、隔离膜、壳体。圆柱型锂电池采用相当成熟的卷绕工艺,自动化程度高,产品传品质稳定,成本相对较低。圆柱电池的内部结构可以比喻一个驴打滚、豆皮卷、千张卷盘踞在外壳之内。


它还有诸多型号,比如常见的有 14650、17490、18650、21700、26650 等,以 18650 为例,18 指的是电芯直径为 18mm,65 则为高度 65mm,0 则代表着其圆柱形状,其他以此类推。广泛应用于太阳能灯具、草坪灯具、后备能源、电动工具、玩具模型上。


电池数量过多成为电动汽车面临的棘手问题,为了满足容量需求只能通过数量的大幅度增加来弥补,更大的数量对于 BMS 电池管理系统要求更高。拿特斯拉上 7000 节 18650 来说,目前也只有特斯拉的 BMS 电池管理系统才能满足如此数量的运算要求,这也是国内少有厂家用 18650 的原因之一。除此之外,由于圆柱电池在组合成电池组时需采用钢壳,所以其重量相对较高,理论上圆柱电池 PACK 后的能量密度要比其他两种电池低。


18650 换装 21700 后电池能量密度提升近 20%,成本也明显低于 18650,系统的成本预计下降 9% 左右,系统的重量预计下降 10% 左右,那么造更大的圆柱电池不就可以了?


这里需要知道一个小知识:电池容量每上升 10%,电池的循环寿命就会降低 20%,电池的循环寿命和单体的电压有关系。根据最新的测试,18650 电芯和 21700 电芯的充电电压峰值是 4.2V,而一般的方块电芯是 3.9V 左右。电池的充电电压每降低 0.10V,它的循环充电寿命可以增加一倍。按照目前 18650 和 21700 电芯,它的单体循环次数是 300-500 次,而方块电芯则更长,磷酸铁锂的电池充电电压是在 3.6V-3.8V,超级磷酸铁锂电芯的工作电压能到 3.9V,所有的电芯,它并不是因为长相去决定它的循环寿命次数,而是它的本体支持的电压。随着电池容量上升,充放电倍率就会下降 30%-40%,电芯温度会上升 20%,所以这意味着需要更强的 BMS 电池管理系统来对电池进行有效控制。

方形电池:当下折中的解决方案

优点:强度高、内阻小、寿命长、空间利用率高
缺点:生产工艺难统一、散热难度高

方形电池是目前国际领域应用面最广的电池 PACK 形式,国内目前主流的蔚来、吉利等一系列新能源车企均采用方形电池。这种电池应用面广的最主要原因之一就是其供应商多且技术难度相对较低,国内绝大多数电池供应商均选择研发方形电池,比如耳熟能详的宁德时代主要提供的就是方形电池。


方形锂电池通常是指铝壳或钢壳方形电池,国内动力电池厂商多采用电池能量密度较高的铝壳方形电池为主,因为方形电池的结构较为简单,不像圆柱电池采用强度较高的不锈钢作为壳体及具有防爆安全阀的等附件,所以整体附件重量相比圆柱型电池更轻,方形电池的能量密度理论上比圆柱电池的能量密度要更高。其结构强度高、忍受机械载荷能力好,电池内阻小,寿命长、组成后的能量密度下降小,空间利用率高。

蔚来汽车模块化灵活裁剪电池容量专利申报图
方型电池有采用卷绕和叠片两种不同的工艺,虽说技术难度相对不高但也存在诸多技术上的不稳定因素影响电池品质。圆柱锂电池工艺非常成熟,极片公有二次分切缺陷机率低,且卷绕工艺成熟度及自动化程度更高,叠片工艺目前还在采用半手工方式。方形电池易产生极耳虚焊影响电池品质,边角处化学活性能较差,长期使用电池性能下降较明显。电动汽车采用的方形电芯也各有不同,方形电池因为要应对不同空间的利用,就要根据不同的需求进行定制化生产。但灵活性高的背后是标准化程度低,工艺很难达到统一,散热难度较大。


在新能源研发初期,德国车企死守一条基本的底线不放,一切都要为安全让路。2009 年,宝马推出搭载三星 SDI 方形电池的纯电动汽车 Megacity(i3 的原型),之后 i3 在全球范围内受到欢迎,至此三星 SDI 才得以打开市场。

软包电池:看看自己的手机电池就能理解

优点:能量密度极高、重量轻
缺点:需要额外防护防止电池受损和热失控

软包电池虽然在汽车市场上应用的并不多,但我们对它并不陌生。我们的手机基本上采用的都是“软包电池”,但是在 3C 数码上,我们统称不叫软包电池,叫做:聚合物电池。软包电池的优势与劣势几乎相生相随,因为软包电池的形状是灵活设计的(根据客户的需求定制,电芯也是重新制作的),所以统一型号的现有软包电池数量太少,另外研发一套新的软包电池组成本也挺高的。


软包锂电池是液态锂离子电池套上一层聚合物外壳,与其他电池最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜),这也是软包锂电池中最关键、技术难度最高的材料,这也是国内电池厂商迟迟没有大幅度推广软包电池的原因之一。由于铝塑膜在轻量化上相对钢壳和铝壳存在绝对的优势,软包电池的重量较同等容量的钢壳电池要轻 40%,比铝壳电池轻 20%,因此软包电池在比能量上有着先天的优势。软包电池较同等规格尺寸的钢壳电池容量高 10-15%,较铝壳电池高 5-10%,能量密度上占了很大便宜。


软包电池采用了叠加的制造方式,在体积上相比于其他两类电池更加纤薄,所以它的能量密度在理论上是三种电池中最高的,软包电池可根据客户需求定制外形,可以做更薄,普通铝壳只能做到 4mm,软包可以做到 0.5mm,在电池布局的灵活性上要比另外两类电池更好。


软包电池与方形、圆柱电池的外壳材料不同,决定了其封装方式也不同。软包电芯采用的是热封装,而金属外壳电池一般采用焊接(激光焊)进行密封。如果实在很难理解可以把软包电池看作是千层蛋糕。


软包电池采用热封装的原因是其使用了铝塑包装膜材料,通常分为三层,即外阻层(一般为尼龙 BOPA 或 PET 构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。

铝塑复合膜外观及内部结构示意图
软包锂离子电芯主要包括:铝塑膜成型、顶封与侧封、注液与预封、化成与整形、排气与二封、裁边与折边。


但由于软包电池内部为叠加式设计,需要在每两片电池中间加上一层薄片,薄片中会充满液体,通过加热或制冷从而保证电池处于最适宜的工作温度,这也意味着软包电池需要更加复杂的电池控制系统。目前奥迪 e-tron、奔驰 EQC、别克 VELITE 6、领克插混版等车型使用的都是软包电池。


以别克 VELITE 6 为例,每两片软包电池组成一个 MINI 堆垛单元的基础。通过流水线焊接在一起。电芯与电芯之间由铝制冷却片隔开,冷却液通过注水口注入,填充冷却片上的“毛细管”,循环流动并带走热量。此外,也可以通过线圈加热冷却液,使电池升温,即使在极端寒冷环境下,确保电池处于最适宜的工作温度。两个软包电池、一片“毛细管”冷却片,再加上一个模组框架和一片隔热泡棉,就组成了一个完整的“MINI 堆垛单元”。而一个电池模块总成由26个“MINI堆垛单元”组成。

三种电池结构的派系之争

锂离子电池,经过或卷绕或叠加这两种不同的结构工艺完成内部组织的生产之后,在外壳封装的材质和形状上走了三条不同道路:圆柱、方形和软包。虽然本质上三种路线的电化学原理都一样,材料组成也基本相同,但就是这不同的封装形式和形状特征,决定了三种电池和背后生产厂商迥然的命运。


方形电池生产企业前三名是宁德时代、比亚迪、国轩高科;软包电池生产企业前三名是孚能科技、国能电池、卡耐新能源;圆柱电池生产企业前三名是比克电池、力神、国轩高科。


目前国内市场,方形铝壳占绝对优势,主要原因为 CATL 和比亚迪等龙头企业的头部效应;国内的圆柱和软包电池企业技术发展相对滞后,这些二线企业的诸多技术与非技术问题,导致其装机量较少,更加剧了方形铝壳装机量一枝独秀的局面。总体来看,2019 年车用电芯装机量总计约 62.2GWh,方形铝壳电芯装机占绝对优势,装机量高达 52.6GWh,占比约 85%,是软包的 10 倍,是圆柱的 13 倍。

半路杀出个“刀片电池”

电动汽车上的电池包由电芯(Cell)组装成为模组(Module),再把模组安装电池包(Pack)里,形成了“电芯-模组-电池包”的三级装配模式。而 CTP,即Cell to PACK,是电芯直接集成为电池包,从而省去了中间模组环节。CTP 电池技术可以简单的概括为,将电芯的模组去除,直接固定在动力电池总成内部,而关联的高压线缆、通讯线缆、冷却/预热循环管路、BMS 监测模块、温度传感器、电流传感器等设备,都要进行相应的改进或重新布设。


目前 CTP 有两种技术路线,一是采用完全无模组方式,二是以大模组替代小模组的方式。近期呼声超高的比亚迪刀片电池就是完全无模组技术方案的代表。由比亚迪开发的长度大于 0.6 米的大电芯,通过阵列的方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池包里面,这也是大家将其称之为刀片电池的原因。由于去除模组,电芯直接固定在动力电池总成内部,就要进行必要的结构加强才能满足被动安全的标定需求。也正是因为去除了模组,动力电池总成的自重将会不同程度的降低,相应的提升动力电池总成的能量密度同时,可以获得更好的电芯散热/预热设定,在复杂工况充放电模式下电芯温度差可以控制在 1℃。

比亚迪“刀片电池”专利

据悉,比亚迪计划在明年中旬推出全新一代磷酸铁锂电池,体积比能量增加 50%,成本下降 30%,续航里程达到 600km,该电池就会采用 CTP 方式。而另外一种实现方式是以大模组替代之前小模组,并不是完全取消模组,而是把之前的小模组去掉侧板,用扎带连接起来,把模组做大,代表企业有特斯拉、宁德时代、蜂巢能源等。如下图为特斯拉 Model 3 电池包内部拆解图,可见 Model 3 是由四个长度约 2 米的大模组组成,而之前特斯拉 Model S 的模组为 16 个。


CTP 不是万能的,为什么电池技术发展了 20 多年,到今天才用上 CTP?这个要归根到镍材料的发展,目前镍是稀缺资源,非常昂贵的一种物质材料。我们俗称的 NCA NCM,N 就是镍,无论是 NCA 还是 NCM ,镍的比重大概是在 80% 左右,泛指 NCM811。在高镍的环境下,电池的一致性非常差。以之前 CMP 模组化架构来说,就是为了杜绝 CTP 之后电芯与电芯之间发生的摩擦,产生膨胀、变形、热失控所波及到整个电池组。现在所采用的 CTP 其实严格意义上来说,它单体外壁还是有一层薄膜保护体,无论是比亚迪、宁德时代、蜂巢能源,都是采用这样的结构。


目前采用 CTP 结构的,只有特斯拉。一直以来,电池厂都是在吐槽特斯拉,一颗电芯出问题就波及到其它电芯,说的就是 CTP 这个痛点。作为一名普通消费者,最多也只能了解到 CTP 所带来的优缺点,其实,这背后本质上是电池厂商和车企的博弈。如今电池厂商做模组并非强赢利点,并且大多数车企自己可以做模组,例如华晨宝马、北京奔驰、通用汽车等,反而做 PACK 才是可行的出路。而电池厂商只有转变为 CTP 方案,之后才有机会去做整个PACK,CTP 因此也被打包和宣传为动力电池的下一个风口。

编辑总结 /

随着电池不断发展,软包电池在新能源汽车市场的渗透率将持续提升,当方形电池技术逐渐接近瓶颈期时,更有挖掘潜力和技术优势的软包电池就会成为替代者,而对目前准备购买新能源汽车的消费者来说,电池品质仍然是购车前需要考虑的重要一项,目前阶段来看各种形式的电池都可选择并没有绝对性的优势和劣势,圆柱形电池技术成熟可靠性较高,方形电池则处于居中位置,软包电池则属于技术最为先进的梯队但对工艺的要求也相对较高因此可靠性上画了一个问号。


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