圓柱/方形/軟包 動(dòng)力電池為何有3種形狀

VELITE 5 參考價(jià)：停售

查看參配 獲取底價(jià)

購(gòu)置稅優(yōu)惠 經(jīng)銷(xiāo)商報(bào)價(jià) 車(chē)主點(diǎn)評(píng)(9條)

形狀變，內(nèi)在基本原理不變

本來(lái)這是一篇很無(wú)聊的技術(shù)文章，我們也想過(guò)你會(huì)不會(huì)對(duì)這些技術(shù)細(xì)節(jié)感興趣。但是我相信有人會(huì)對(duì)為什么電池必須做成三種形狀感興趣。同時(shí)，在未來(lái)新能源汽車(chē)的技術(shù)發(fā)展中，如何從電池中找到突破口，可以在這個(gè)問(wèn)題中找到答案。

動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池是目前電池技術(shù)應(yīng)用的兩大場(chǎng)景。儲(chǔ)能電池對(duì)應(yīng)太陽(yáng)能等設(shè)備，動(dòng)力電池對(duì)應(yīng)新能源汽車(chē)。曾經(jīng)以日韓公司為首的電池科技公司，很久以前就將動(dòng)力電池的包裝類(lèi)型分為三大類(lèi):圓柱形、方形和軟包。直觀來(lái)看，它們的差異只是形態(tài)上的，但同時(shí)在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面也有所不同。那么小電池由于形狀不同會(huì)怎么樣呢？這是我們本期的主要內(nèi)容。

日本索尼公司于1992年發(fā)明了18650鋰電池，成為目前最常見(jiàn)的圓柱電池設(shè)計(jì)。比如5號(hào)、7號(hào)堿性電池都采用這種形狀設(shè)計(jì)。后期由于電池的應(yīng)用場(chǎng)景較多，以三星SDI為首的方形電池和以L(fǎng)G華為為首的軟包電池也進(jìn)入市場(chǎng)。目前，這三項(xiàng)技術(shù)也在新能源汽車(chē)產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

對(duì)于新能源汽車(chē)來(lái)說(shuō)，目前三類(lèi)電池的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有最好，只有更好。不同國(guó)家的不同車(chē)企對(duì)三類(lèi)電池技術(shù)的認(rèn)可度不同。前不久我參加了一個(gè)柔性電池的技術(shù)培訓(xùn)，所以我也想在今天的內(nèi)容中和大家聊聊，給大家反饋一下我們的實(shí)際應(yīng)用水平，這三種不同形狀的電池有什么區(qū)別？

●換標(biāo)不換書(shū)，形狀無(wú)論如何變化都要遵循基本原則。

由于包裝方式的不同，三種電池的形狀明顯不同。但對(duì)電池本身的工作原理沒(méi)有影響。制造方法主要針對(duì)不同的工作條件、設(shè)備應(yīng)用和更多樣的例子，不是很?chē)?yán)謹(jǐn)。就像蛋糕被做成不同的形狀，原料烘焙和發(fā)酵的原理是一樣的。

“方形電池鋰離子運(yùn)動(dòng)示意圖”

以上兩張圖展示了鋰電池本身的工作原理。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鋰離子在電解液中從陰極到陽(yáng)極完成一次放電，然后從陽(yáng)極回到陰極完成一次充電。因此，三種不同形狀的電池的設(shè)計(jì)都會(huì)遵循電池本身的技術(shù)原理，但由于形狀的不同，制造過(guò)程分為纏繞和堆疊兩個(gè)不同的過(guò)程。

◆圓柱形電池

三種形狀的電池通過(guò)圓柱繞線(xiàn)、方形繞線(xiàn)和方形疊加，最終都會(huì)變成圓柱形、方形和柔性電池。然而，目前只有圓柱形電池在制造標(biāo)準(zhǔn)上是一致的。比如大家熟知的圓柱電池分為14650、18650、21700等型號(hào)。很多人認(rèn)為這是一種電池類(lèi)型，但它只代表了圓柱形電池的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。以目前最成熟的圓柱電池標(biāo)準(zhǔn)18650型為例，而21700型正在經(jīng)歷不斷的技術(shù)進(jìn)步，有可能取代18650型成為新能源汽車(chē)首選的圓柱電池產(chǎn)品。

◆方形電池

方形電池的可塑性更強(qiáng)，可以根據(jù)產(chǎn)品的具體需求進(jìn)行定制。所以大小不同。目前無(wú)論是制造工藝還是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，都沒(méi)有像圓柱電池那樣明確的標(biāo)準(zhǔn)劃分。但由于靈活性高，在早期新能源汽車(chē)上已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，車(chē)企可以根據(jù)車(chē)輛需求定制方形電池的尺寸，不受圓柱電池標(biāo)準(zhǔn)的限制。方形電池曾被認(rèn)為是最適合新能源汽車(chē)應(yīng)用的電池設(shè)計(jì)。目前很多車(chē)型都采用方形電池，比如寶馬的I系列車(chē)型、榮威ERX5、蔚來(lái)的ES8以及未來(lái)即將上市的轎車(chē)和家庭的增程式SUV。

◆方形軟包電池

另一方面，柔性電池追求更纖薄的體積，在同等容量密度下重量最輕，因?yàn)椴捎茂B加制造方式。同樣，靈活的電池也可以根據(jù)應(yīng)用需求定制，從我們手機(jī)電池的大小到在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用。柔性電池一直是行業(yè)內(nèi)移動(dòng)設(shè)備的首選，但在汽車(chē)應(yīng)用中，其體積的可控性也受到汽車(chē)品牌的重視，尤其是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。在考慮整車(chē)的布局和重量時(shí)，電池體積靈活的優(yōu)勢(shì)更加明顯。目前，通用的別克VELITE 5（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）/VELITE（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策） 5、凱迪拉克CT6（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）插電式、XT5混動(dòng)車(chē)型以及日產(chǎn)的Sylphy純電都采用了柔性電池。

點(diǎn)評(píng):三種電池設(shè)計(jì)都以“換湯不換藥”的方式在市場(chǎng)上占有一席之地。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，其中并沒(méi)有絕對(duì)的好壞。但由于最成熟的圓柱電池有固定的全球標(biāo)準(zhǔn)，從制造到應(yīng)用，整個(gè)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性會(huì)更高。電池公司按標(biāo)準(zhǔn)制造電池，車(chē)企也按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)用，一致性強(qiáng)。中國(guó)曾試圖將歐洲的VDA標(biāo)準(zhǔn)作為方形電池技術(shù)的模板，但被引用的公司并不多。最早選擇使用方形電池的車(chē)企，也在逐步用圓柱電池替代，只是為了保證產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

而方形柔性電池的突出優(yōu)勢(shì)就是定制化，這就導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)和流程的不同。汽車(chē)公司和電池供應(yīng)商必須就設(shè)計(jì)和工藝要求達(dá)成嚴(yán)格的協(xié)議，這顯然會(huì)導(dǎo)致雙方的R&D成本更高。目前車(chē)企對(duì)這三類(lèi)電池都有自己的偏好和看法，會(huì)選擇自己比較認(rèn)可的類(lèi)型進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。畢竟用戶(hù)關(guān)心的是車(chē)輛續(xù)航性能和更好的配重和布局，對(duì)電池外形沒(méi)有偏好。我們?cè)僬f(shuō)一遍。三種電池設(shè)計(jì)在不同形狀下，在能量密度和安全性方面有什么優(yōu)勢(shì)？

在不同形狀的基礎(chǔ)上，三種電池設(shè)計(jì)也各有特點(diǎn)，可以通過(guò)外殼的材料和內(nèi)部設(shè)計(jì)來(lái)影響單體電池的能量密度、安全性和重量。我們?cè)倥e一個(gè)蛋糕的例子。餡料代表單個(gè)電池的能量密度，而面粉代表外殼包裝材料的選擇。

不銹鋼外殼一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料。由于工藝標(biāo)準(zhǔn)的不同要求，較輕的鋁殼在方形電池上迅速普及，在重量上也有優(yōu)勢(shì)。但由于追求更輕薄的技術(shù)，柔性電池采用鋁塑膜包裝，比鋁殼更輕。你甚至可以用手感受內(nèi)部液體電池的流動(dòng)。

除了直接影響電芯的重量，外殼使用的不同材料也對(duì)電芯的安全性、發(fā)熱性等方面有影響。畢竟，電池應(yīng)該分組包裝，然后放入車(chē)內(nèi)。鋼殼最硬最重，需要兼顧安全工藝，難度相對(duì)較低，而鋁膜殼最軟最輕，單體制造成組封裝時(shí)對(duì)散熱和碰撞安全的要求也較高。然而，根據(jù)外殼材料的選擇，方形電池具有相同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

不要低估單節(jié)電池的重量，這會(huì)對(duì)分組放入車(chē)內(nèi)的最終包裝產(chǎn)生多層面的影響。更輕的電池組可以使整車(chē)重量更低，從而為車(chē)企提供更多的布局方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，單體電池越輕，空能量密度越大。例如，在設(shè)計(jì)車(chē)輛時(shí)，僅限于裝載一個(gè)300千克的電池組。顯然，單元越輕，整個(gè)電池組的能量就越高。

然而，當(dāng)帶鋼殼的氣缸和方形電池安裝在車(chē)身上時(shí)，控制配重的方案相對(duì)簡(jiǎn)單。比如目前主流的圓柱形電池組的新能源汽車(chē)，都是直接布置在車(chē)身下方，這樣可以保證車(chē)輛的前后配重即使較重也不會(huì)受到影響，但是會(huì)影響車(chē)輛的離地間隙和車(chē)內(nèi)平臺(tái)的高度。但是，有些插電式混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)將圓柱形電池組放在后備箱下方，通過(guò)與前發(fā)動(dòng)機(jī)的重量相匹配來(lái)平衡整車(chē)的重量，但這樣一來(lái)，后備箱的空就會(huì)變得很小。

由于電池的形狀不同，三種類(lèi)型的電池在封裝組的安全性和散熱問(wèn)題上也有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。圓柱電池雖然重，能量密度低，但封裝時(shí)在圓柱之間形成良好的散熱空空間，而方形電池則不同。如果不留縫隙，緊密排列在一起，除了散熱，單體之間的安全性也很難保證。然而，柔性電池的包裝將更加復(fù)雜。為了安全，為了保證散熱，也為了不失去柔性電池體積纖薄的優(yōu)勢(shì)，我們可以想象它在封裝和分組上有多復(fù)雜。很多車(chē)企在包裝時(shí)都會(huì)仔細(xì)考慮三類(lèi)電池設(shè)計(jì)的成本投入。目前，工藝難度和成本較低的圓柱形電池是現(xiàn)階段較好的選擇。

點(diǎn)評(píng):簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果方形電池和圓柱電池有相同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，那么兩種電池在應(yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)基本在同一水平上。而柔性電池具有更強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性，具有重量輕、能量密度高等更為明顯的優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)更多車(chē)企的首選電池類(lèi)型。但恰恰相反，對(duì)制造工藝的要求明顯高于前兩者。生產(chǎn)和包裝上的額外成本和技術(shù)要求，都變相提高了新能源汽車(chē)的終端售價(jià)。因此，柔性電池的極端優(yōu)缺點(diǎn)也讓一些車(chē)企望而卻步。目前新能源汽車(chē)使用柔性電池的比例最小。說(shuō)白了，面對(duì)成本，更多的企業(yè)還是選擇與另外兩家妥協(xié)。

此外，單體電池的類(lèi)型只是車(chē)企選擇研發(fā)方向的角度之一，封裝技術(shù)也是尤為關(guān)鍵的一環(huán)。目前，一線(xiàn)新能源車(chē)企都有自己的電池實(shí)驗(yàn)室。他們?cè)诠?yīng)商提供的電池原型基礎(chǔ)上進(jìn)行二次研發(fā)，最后將研究方案推回給供應(yīng)商，兩人共同敲定所需的電池方案。然后，包裝工作由自己或供應(yīng)商完成，最后一步是通過(guò)精心的配重布置完成裝載。這個(gè)過(guò)程各方面都有利弊，也是返場(chǎng)企業(yè)會(huì)選擇哪種電池的關(guān)鍵。

●中國(guó)電池企業(yè)與汽車(chē)企業(yè)緊密甚至超越，合作共贏。

從單體電池到整車(chē)應(yīng)用，車(chē)企和電池公司之間有著密切的合作關(guān)系。比如在圓柱電池的應(yīng)用上，松下和特斯拉保持了多年的技術(shù)聯(lián)盟，美國(guó)通用汽車(chē)和LG化學(xué)也就柔性電池技術(shù)達(dá)成了技術(shù)共識(shí)。在此之前，三星SDI還與寶馬在方形電池上有過(guò)很多技術(shù)合作。

電池供應(yīng)商決定了電池可靠的基礎(chǔ)技術(shù)，車(chē)企的二次研發(fā)決定了電池在最終續(xù)航、配重、安全三大問(wèn)題上的表現(xiàn)。ⅲ類(lèi)電池的核心技術(shù)長(zhǎng)期被日韓公司掌握，之前已經(jīng)成為新能源車(chē)企首選的電池供應(yīng)商。近兩年來(lái)，與國(guó)外相比，我國(guó)電池和新能源汽車(chē)企業(yè)不僅電池技術(shù)和應(yīng)用水平大幅收窄，在產(chǎn)能、質(zhì)量控制和實(shí)際應(yīng)用性能等方面也更有話(huà)語(yǔ)權(quán)。外國(guó)車(chē)企選擇中國(guó)電池企業(yè)作為首選供應(yīng)商已經(jīng)成為常態(tài)。

截至2021年，中國(guó)電池企業(yè)已具備制造圓柱電池、方形電池和柔性電池的綜合技術(shù)能力，三類(lèi)電池的單體能量密度均取得長(zhǎng)足進(jìn)步。近年來(lái)，中國(guó)電池企業(yè)也從圓柱電池、方形電池向柔性電池技術(shù)過(guò)渡，當(dāng)代安普瑞斯科技有限公司、李紳、郭萱高新為首的多家公司正在選擇采用柔性電池技術(shù)路線(xiàn)。

同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池能量密度提出更高要求，軟包技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)電池輕量化、高密度的重要手段。今年年初，當(dāng)代安普瑞斯科技有限公司、李紳、郭萱高新三家承接新型鋰離子動(dòng)力電池項(xiàng)目的企業(yè)，均選擇了軟包電池技術(shù)路線(xiàn)，單體電池能量密度達(dá)到300Wh/kg。但其對(duì)高制造技術(shù)的要求也要求相關(guān)后市場(chǎng)技術(shù)的提升，如外包裝鋁塑膜的技術(shù)和產(chǎn)能、高精度疊片、電解液注入和封裝設(shè)備技術(shù)等。

然而，在走向柔性電池技術(shù)的道路上，仍然存在許多實(shí)際問(wèn)題。首先，鋁塑膜技術(shù)成本高，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平有限。尤其是疊片技術(shù)的控制要高于繞組。質(zhì)量控制將直接影響電池壽命和安全性。為了保持產(chǎn)能和質(zhì)量控制的同步增長(zhǎng)，電池公司和汽車(chē)公司之間的協(xié)同努力更加關(guān)鍵。

總結(jié):新能源爆發(fā)前，可能會(huì)成為一種趨勢(shì)。

前幾年我國(guó)新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池主要是磷酸亞鐵鋰中的方形電池，因?yàn)楫?dāng)時(shí)中國(guó)企業(yè)擁有的圓柱電池技術(shù)和成本控制能力與海外國(guó)家相比并不突出。從車(chē)企的角度來(lái)看，可定制的方形電池更有利于新能源汽車(chē)的快速研發(fā)和設(shè)計(jì)。現(xiàn)在，為了取得更快的成績(jī)，當(dāng)時(shí)電池和汽車(chē)企業(yè)都把方形電池作為過(guò)渡技術(shù)，但目前圓柱形三元鋰電池已經(jīng)成為新的主流。

但這并不意味著誰(shuí)會(huì)是最終的技術(shù)代表。圓柱形、方形和柔性電池目前對(duì)于市場(chǎng)來(lái)說(shuō)都有自己獨(dú)特的價(jià)值，誰(shuí)能成為新趨勢(shì)也會(huì)受到整車(chē)研發(fā)速度的影響。就我們而言，它們各自的優(yōu)勢(shì)最終能否在產(chǎn)品力方面被車(chē)企最大程度地展現(xiàn)出來(lái)，才是真正值得我們關(guān)注的問(wèn)題。白貓，黑貓，能抓老鼠的好貓，軟缸，能跑很遠(yuǎn)的好電池。