中國儲能網(wǎng)訊：全球鋰電芯的封裝形態(tài)變化是研究動力電池發(fā)展史非常有意思的切入點。鋰電池行業(yè)經(jīng)歷了長達30年的發(fā)展，全球封裝形態(tài)目前卻形成了各區(qū)域顯著不同的結(jié)果。
中國以綜合性更強的方形電池為主導(dǎo)、軟包和圓柱為輔，電芯總產(chǎn)能冠絕全球；美國車企則以圓柱和軟包為主，圓柱主要感謝特斯拉在美國有超過70%的市占率，而底特律汽車三大則堅持能量密度更高的軟包；歐洲以軟包電芯為主導(dǎo)、方形次之，其中純電車型堅持長續(xù)航的軟包，德系車企對更符合車規(guī)級的方形則青睞有加。
有沒有想過，為什么是這樣？為什么全球不同國家選擇了不同的電池封裝技術(shù)路線？
不同路線各有優(yōu)劣，如今技術(shù)格局復(fù)盤下來很大程度要歸因于歷史原因——歷史時間軸上三種封裝形態(tài)的成熟度與創(chuàng)新加速度有所差別，因此也影響了各區(qū)域主機廠和電池廠在不同歷史節(jié)點對電池技術(shù)路線的決策。接下來讓我們歸根溯源來看鋰電池封裝形態(tài)的發(fā)展歷史。
2021年全球主要區(qū)域電芯封裝形態(tài)分布
本文包含以下內(nèi)容，閱讀需要30分鐘。
? 圓柱電池開創(chuàng)者——索尼大法好
? 日本人內(nèi)卷——松下后來居上
? 美國特斯拉頂一把——吹過的牛逼都得實現(xiàn)
? 松下與特斯拉的蜜月期——廣場協(xié)議之后的活久見
? 軟包和方形電池的反擊——中韓登上舞臺
? 軟包電池快速占領(lǐng)全球市場三分之一
? 馬斯克口嫌體直，死磕圓柱電池做“大”對抗軟包
? “寧王”攜方形電池強勢崛起
? 中國特色的動力電池發(fā)展路線
? 天下三分，4680或?qū)黼姵匦袠I(yè)新變局
圓柱電池開創(chuàng)者 索尼大法好
圓柱鋰電池歷史最為悠久、其采用的卷繞工藝也最為成熟，帶來了又便宜又安全的優(yōu)勢。圓柱電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以比喻為一個驢打滾，千張卷盤踞在外殼之內(nèi)，類似滾同心圓的卷繞工藝相較疊片等其他工藝流程最為簡潔，易于實現(xiàn)標準化、自動化，加工成本低廉，電芯產(chǎn)品一致性高，且圓柱單體間的空隙帶來了極佳的散熱性，安全系數(shù)高。追溯圓柱電池應(yīng)用歷史，早在1973年，世界上第一款移動手機、美國摩托羅拉的DynaTAC 8000X就采用了6節(jié)圓柱形態(tài)的鎳鎘電池，但由于材料體系受限、充電耗時10小時只能通話30分鐘，因此研究者一直在探索新一代的鋰離子電池。
1980年牛津大學(xué)著名的“鋰電池之父”約翰·古德納夫（John Goodenough）及團隊突破性發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰正極材料，這種鈷和鋰的金屬氧化物可以在4伏的電壓下支持半數(shù)的鋰離子脫出而不坍塌，是當時性能遙遙領(lǐng)先的正極方案，但受限于負極采用鋰金屬的鋰枝晶和粉末化問題，鋰電池一直沒有大規(guī)模商業(yè)化。
直至1991年，索尼發(fā)布了人類歷史上第一個商用鋰離子電池，通過當時已經(jīng)成熟且簡潔的卷繞工藝形成了18650圓柱電芯，能量密度達到80Wh/kg，約為當時鎳氫電池的2倍。這一發(fā)明背后起到?jīng)Q定性作用的是來自索尼的技術(shù)合作方旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino），他在1985年就開創(chuàng)性的使用石墨代替鋰金屬作為負極，搭配來自古德納夫的鈷酸鋰正極，根本上改善了鋰電池的循環(huán)壽命問題——圓柱鋼殼包裹鋰過渡金屬氧化物和石墨分別作為正負極材料的組合初具雛形，吉野彰也和古德納夫于2019年共同拿下諾貝爾化學(xué)獎。
至于最后拍板直徑18mm、長度65mm的圓柱電芯規(guī)格18650，則有一定偶然性，當時這個電池最開始是為了索尼自家的手持攝像機量身打造，如果做成5號電池（14500）則容量不夠；做成2號電池（26500）則尺寸又太大，所以18650就這樣被“妥協(xié)”出來了。隨后，索尼這款18650鈷酸鋰電池被迅速用到全球隨身聽、攝像機、相機、手機、筆記本電腦等各類便攜設(shè)備中，1994年索尼成為最大筆記本生產(chǎn)商戴爾的電池供應(yīng)商。
早于1997年，索尼就與日產(chǎn)汽車進行了車載鋰電池的合作，幫助日產(chǎn)制造出世界上第一輛使用圓柱鋰離子電池的純電車型Prairie Joy EV，續(xù)航可達200公里，最高時速120公里/小時，用于日本北極觀測科研任務(wù)。Prairie EV曾經(jīng)連續(xù)6年擔負日本國家北極考察隊從基地研究站到城鎮(zhèn)、機場的日常運輸重任，且在沒有日產(chǎn)汽車提供技術(shù)支持或維護的情況下，未出現(xiàn)任何故障。但是由于高昂的BOM（Bill of Materials，物料清單）成本和充電基建投資強度，日產(chǎn)沒有信心把它投放到C端市場，僅僅限于車隊to B銷售，從1997年起向各個實體出售了大約30臺車。
可惜的是索尼隨后在戰(zhàn)略上否定了汽車動力電池領(lǐng)域，直至2016年才重新正式宣布進入車用鋰電池領(lǐng)域，錯過了動力鋰電池跑馬圈地的時代。由于智能手機時代以圓柱為主的索尼逐步落后于以ATL（寧德新能源科技有限公司）為代表的中國3C軟包電池廠商，索尼鋰電池業(yè)務(wù)陷入虧損，最終2016年底索尼將電池業(yè)務(wù)僅以11億人民幣價格出售給了村田，可謂起了大早、趕了晚集。
日本人內(nèi)卷 松下后來居上
索尼開創(chuàng)了圓柱電池，但真正將其在動力電池領(lǐng)域發(fā)揚光大的則是他的老對手松下。松下緊隨索尼之后的1994年完成了對18650圓柱電池的開發(fā)，并且積極進入動力電池界。相比于索尼與日產(chǎn)對純電車型的堅持，松下更具產(chǎn)業(yè)化角度的實用主義戰(zhàn)略眼光，選擇了過渡形態(tài)的油電混合動力路線進行彎道超車——與混動鼻祖豐田公司結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴，1996年松下和豐田成立合資電池公司Primearth EV Energy (PEVE)。
隨后豐田于1997年推出了世界上第一個真正意義上大規(guī)模生產(chǎn)的混合動力車款豐田普銳斯Prius Hybrid，混合油電雙引擎與行星齒輪系統(tǒng)后搭載了松下1.73kWh的圓柱鎳氫電池，鎳氫當時較鋰離子電池更具穩(wěn)定性。Prius這款車平均油耗僅為3.6L/100km，大幅低于當時油車新款8L/100km的油耗，油耗表現(xiàn)出眾，因此盡管外觀設(shè)計保守平庸、但仍在歐美市場獲得了不錯的接受度，最終Prius一代全球銷量突破了12萬輛。但由于Prius一代近17000美金的定價遠遠無法覆蓋其約32000美金的BOM成本，這款一代車最終于2003年停產(chǎn)。
美中不足的是混動車型Prius一代良好的出貨量并沒有幫助松下站穩(wěn)動力電池龍頭地位，一是因為混動車型畢竟電池包帶電量較低、單車不足2度電，12萬臺累計出貨也僅有200MWh；二是因為混動產(chǎn)品多繼承自油車平臺，要求電池包能靈活設(shè)計來更好的匹配“油改電”后受限的車身空間，但圓柱電芯相對固定的尺寸標準和矩陣式排列方式難以滿足對電池包規(guī)格和體積進行定制開發(fā)的要求，這也為后來軟包和方形電芯的崛起埋下了伏筆。
期間松下也在努力嘗試聯(lián)同豐田積極推出純電車型，1997年同年松下圓柱鎳氫電芯也裝機了豐田純電SUV車型RAV4 EV，電池容量為27kWh，滿電的續(xù)航里程可達190km。但這款純電車型與日產(chǎn)當時預(yù)計的情形類似，市場反響較差，僅售出1484輛、且其中只有328輛賣給了C端消費者，大頭只能被租賃公司吃下。直到2003年RAV4 EV純電車型停產(chǎn)，豐田重新把戰(zhàn)略聚焦回混合動力車型上。但在松下角度如何進一步推動車載電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長仍舊是一個難題。
所幸松下在2008年經(jīng)濟危機期間發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)整合機會，最終斥資46億美金對日本同行三洋電機進行了控股權(quán)收購。三洋電機自1995年研發(fā)鋁殼方形電芯后也兼具了18650圓柱電芯技術(shù)，當時位居鋰電池份額世界第一，并且方形電芯相較圓柱電芯擁有高成組效率和空間靈活性、更適合對空間利用率要求高的混動車型，這也幫助三洋成功從松下手里拿下了豐田普銳斯二代新車型。松下也憑借這項收購成為了全球最大鋰電池供應(yīng)商、也重新?lián)尰亓素S田的訂單。但命運的齒輪開始轉(zhuǎn)動，這筆交易背后還藏著個更大的禮物——三洋電機正是特斯拉最初選定的鋰電池供應(yīng)商。
美國特斯拉頂一把 吹過的牛X都要實現(xiàn)
特斯拉及其創(chuàng)始團隊與圓柱電池的結(jié)緣由來已久。
2003年，特斯拉最早的創(chuàng)始人硅谷企業(yè)家馬丁·埃伯哈德接觸到了從通用EV-1鉛酸電動車項目團隊出來的湯姆蓋奇和他的AC Propulsion公司，當時他的第一款鉛酸原型車T-zero已經(jīng)可以做到百公里加速4.9秒、但續(xù)航只有130公里。于是以埃伯哈德以15萬美金注資為交換來委托AC Propulsion進行鋰離子電池版本車型的開發(fā)并開放給他技術(shù)授權(quán)。開發(fā)重點是研究如何使用標準的現(xiàn)成18650圓柱鋰電池，做過電子閱讀器創(chuàng)業(yè)的埃伯哈德當時已經(jīng)體會到18650是當時條件下品質(zhì)最好、價格最便宜的電池，但難點是做到純電長續(xù)航需要在電池組中使用成千上萬個這樣的小圓柱電池，電池容量相當于之前日產(chǎn)、豐田純電車型的一倍以上。
馬丁·埃伯哈德做完調(diào)研工作后，于2003年7月成立了特斯拉公司。同年9月AC Propulsion在委托下完成了T-zero鋰電版原型車的開發(fā)，搭載了數(shù)千塊筆記本電腦上的18650電池，性能上百公里加速達到了3.6秒、同時續(xù)航大幅增加到了480公里，驗證了大量小圓柱電池用于長續(xù)航純電車的可行性。
隨后就是大家都知道的，特斯拉公司在2004年3月經(jīng)AC Propulsion介紹、獲得了馬斯克640萬美金的注資，馬斯克也拉入了他投資的另一家計劃用鋰離子電池制造電動車的創(chuàng)始人JB.施特勞貝爾加入特斯拉作為聯(lián)創(chuàng)與CTO。值得一提的是電池專家施特勞貝爾從大學(xué)期間就在嘗試打造電動車、也同樣對大量串聯(lián)上萬塊鋰電池裝車有著構(gòu)想，情投意合的特斯拉創(chuàng)始團隊就此組建起來。
但對于如此大容量的電池組，T-zero終歸只完成了原理驗證，真正的挑戰(zhàn)在于量產(chǎn)后的可靠性和安全性，即便18650已經(jīng)是當時量產(chǎn)最成熟、批次一致性最高的電池產(chǎn)品，但畢竟采用的電芯數(shù)量過多（一代roadster最后確定為6800個電芯、重量450公斤）由此將大大增加單體電芯出現(xiàn)問題后導(dǎo)致整個電池包燃爆的隱患，這要求BMS（電池管理系統(tǒng)）及熱管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測、控制、均衡到每個單體小電芯的安全狀態(tài)。
因此當2004年啟動量產(chǎn)后特斯拉團隊就找到三洋、松下、索尼等成本領(lǐng)先的日本圓柱電池廠商要求采用現(xiàn)成筆記本電腦電池協(xié)助設(shè)計這套極具創(chuàng)新性、難度較大的電池包及配套熱管理方案時，都被以安全問題拒絕了，不死心的特斯拉只能回去自己設(shè)計pack方案。
特斯拉也并非沒有去嘗試新興的單體電芯容量更大、使用數(shù)量更少的軟包和方形電芯技術(shù)方案，當時特斯拉電池技術(shù)總監(jiān)凱爾蒂測試了市面上超過300種電池，但圓柱方案由于電池單體能量小、制造成本最低且良率最高，且圓柱相間留有安全孔隙，散熱性好，在當時是單體出現(xiàn)問題不會對整個系統(tǒng)造成較大損害的唯一電芯方案。最終特斯拉還是堅持了技術(shù)更成熟的小圓柱電池路線，堅持認為電池成本、量產(chǎn)的良品率和安全性才是動力電池第一性原理，串并聯(lián)帶來的軟件和工程問題再難也要不惜代價攻克。
于是終于在2006年特斯拉技術(shù)團隊創(chuàng)新性地完成了其獨特BMS（電池管理系統(tǒng)）和冷卻方案的研發(fā)。尤其是其BMS的技術(shù)復(fù)雜度和難度極強，BMS能夠在將近7000個小電芯串并聯(lián)狀態(tài)下精準檢測和控制每個小電芯的電壓和充放電電流狀態(tài)。
2006年8月特斯拉完成的電池系統(tǒng)技術(shù)白皮書及其中披露自行組裝的第一代roadster電池包
松下與特斯拉的蜜月期 廣場協(xié)議之后的活久見
而這套熱管理方案最終也獲得了三洋的認可，2008年特斯拉和剛收購三洋的松下正式開展電池供應(yīng)合作（雖然松下仍然不夠信任，要求特斯拉不能對外公開宣傳電池包來自松下、出現(xiàn)安全問題概不負責...），最終到2008年底完成了147臺roadster的交付。
雖然roadster截至2012年停產(chǎn)生命周期不過賣了2000多輛，但由此特斯拉和松下開啟了基于電動車發(fā)展愿景的長期戰(zhàn)略合作，2010年松下在特斯拉IPO時背著40億美金虧損仍然堅決投資3000萬美金成為股東，2011年為了保障model S的生產(chǎn)、特斯拉和松下簽訂了四年6.4億顆18650電芯的供應(yīng)協(xié)議（接近10萬輛的電池裝車），13年續(xù)簽至18億顆、訂單價值70億美金，自此開創(chuàng)了特斯拉推動松下圓柱電池舍命狂奔的時代。
2012年面向大眾市場的豪華轎車model S正式上線，裝載了7104節(jié)松下18650電池，電池容量85kWh、續(xù)航里程483km，是當時純電車續(xù)航長度之最；并且得益于圓柱電池鋼殼結(jié)構(gòu)耐高內(nèi)壓的強束縛性，率先應(yīng)用了能量密度更高的鎳鈷鋁（NCA）鋰電池，單電芯能量密度達到了245Wh/kg，電池包重量和體積得到了進一步優(yōu)化。最終model S大獲成功，2015年便達到5萬輛銷量、成為全球電動車銷量冠軍。
2015年特斯拉又一鼓作氣推出了豪華SUV車型model X，電池容量擴大到100kWh、8256節(jié)18650松下NCA電池組成，續(xù)航565km。model X也同樣于2017年銷量突破5萬輛。
可以說在當時，采用小容量圓柱電池串聯(lián)是特斯拉比業(yè)內(nèi)其他公司更快速地（2012年）能夠以低成本、高良率量產(chǎn)出大容量電池組來搶占市場、鞏固領(lǐng)先位置的核心原因，隨后直至2016年通用汽車才在Bolt車型上推出了60kWh的大容量軟包電池組。
特斯拉2009-2017年主要車型銷量
松下則憑借獨家供應(yīng)18650給特斯拉model S和X兩款車型，2014年實現(xiàn)2.7GWh動力電池出貨、其中特斯拉圓柱電池就出了2.6GWh，15年、16年分別達到4.5GWh和7.2GWh，松下成功從2012年至2016年連續(xù)五年霸榜全球動力電池裝機量第一（直至2017年被寧王超越）。
這段時間是松下與特斯拉的蜜月期，松下甚至在2014年參與了特斯拉在美國內(nèi)華達州超級工廠Gigafactory投資額50億美金中16億美金的出資，2012年上任協(xié)助松下集團實現(xiàn)扭虧的新任社長津賀一宏甚至還多次對外表示老邁的松下需要變化，要多多“use Elon's thinking”。
海外電動乘用車市場電池企業(yè)裝機量（Gwh）和海外電動乘用車市場電池企業(yè)裝機量占比
軟包和方形電池的反擊 中韓登上舞臺
但松下憑借18650圓柱電池走上巔峰的背后，風險已然開始暗流涌動。意圖掀起波瀾的正是曾被特斯拉pass過的軟包和方形電池，背后的韓國和中國的電池廠商們正在登上舞臺，瞄準的正是圓柱電池單體容量小帶來的成組效率低、成組能量密度損失大、BMS要求過高等廣大車企痛點。
2010年-2021年間，在軟包和方形電芯通過持續(xù)工程化改進、做大單體容量，持續(xù)縮小與圓柱電芯在單體能量密度上的差距：其中軟包電池實現(xiàn)了能量密度上對圓柱的反超，2010年起也完成了暢銷量產(chǎn)車型的裝機驗證，軟包成熟度相較特斯拉創(chuàng)業(yè)初期大幅提升；而與圓柱同樣采用卷繞工藝為主、成本較低的方形電池在短板能量密度上的改善幅度則更為巨大。相比之下，圓柱的性能發(fā)展曲線的斜率在很長一段時間放緩了，性能優(yōu)勢慢慢不再突出，成本差距也在大幅縮小。
2010年-2021年間方形、軟包、圓柱電芯的單體容量和能量密度變化
2005年-2017年間方形、軟包、圓柱鋰電池成本變化
與此對應(yīng)的是，圓柱電池在全球范圍市場份額陷于停滯狀態(tài)?？梢哉f，18650小圓柱給了特斯拉在特定階段技術(shù)領(lǐng)先的先發(fā)優(yōu)勢，卻面臨了其他技術(shù)路線快速進步帶來的產(chǎn)業(yè)鏈上的孤立無援，軟包和方形電池正在全球攻城略地。
2010年-2021年間圓柱cylindrical，方形prismatic，軟包pouch全球份額的變化（未知部分主要為中國市場、方形為主）
軟包電池快速占領(lǐng)全球市場三分之一
我們先來看軟包電池，軟包動力電池的發(fā)展最早由日本AESC以及韓國LG化學(xué)推動。1994年貝爾實驗室為了繞開索尼圓柱專利而發(fā)明了軟包電池，最初用于3C領(lǐng)域，于2007年日產(chǎn)和日本電氣合資電池公司AESC把用于手機軟包電池打造成符合車規(guī)級標準的大軟包。
軟包電池采用了不同于卷繞的疊片工藝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由“正極片-隔膜-負極片”通過Z字型依次緊密層疊起來、設(shè)計靈活并減少了邊角處空間浪費，外部用輕量化鋁塑膜封裝、替代了鋼殼鋁殼，兩者都增加了軟包在能量密度上的優(yōu)勢。隨著軟包電池技術(shù)的不斷成熟很快憑借高能量密度、體積形狀靈活多變帶來的高整車適配性優(yōu)勢，獲得了歐美主流傳統(tǒng)車企的偏愛。
2010年日產(chǎn)推出了裝載AESC 24kwh軟包電池的純電車型聆風Leaf，事實上是全球真正意義上第一個實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的純電動汽車，這款緊湊型純電A級車起售價僅3萬美金、是2年后model S起售價不到一半，面向大眾市場一經(jīng)推出大受歡迎，至2014年累計銷量10萬輛、至15年累計超20萬輛，一直銷售至今銷量突破100萬輛，建立了軟包很好的驗證和示范效應(yīng)。但AESC由于配套日產(chǎn)、缺乏競爭、成本較高，并且錯誤押注了低能量密度的過渡路線錳酸鋰，盡管抱著日產(chǎn)Leaf大單品的巨大出貨量，卻未能完成軟包的市場化供應(yīng)。
LG化學(xué)是真正將軟包電池推向歐美市場大規(guī)模運用的廠商，LG化學(xué)緊隨AESC其后也于2010年完成軟包電池的量產(chǎn)，研發(fā)出了空間更緊湊的世界第一款階梯式和六角形的軟包電池，并率先運用上了殺手锏——高能量密度的鎳鈷錳（NCM532）鋰電池與走圓柱路線的松下NCA進行對標，2010年后拿下了整個底特律三大包括通用第一款量產(chǎn)的增程車型雪佛蘭Volt和純電SUV車型Bolt、福特的?？怂闺妱影?、克萊斯勒大捷龍電動版，以及在歐洲暢銷的韓國現(xiàn)代起亞的首批電動車型Avante和Forte。
2014年，AESC和LG化學(xué)紛紛擠進動力電池廠商全球前三，全球軟包份額達到了33%。2015年后LG化學(xué)乘勝追擊，在2017年日產(chǎn)決定止損剝離AESC后（最后買家是中國遠景動力）搶奪下了日產(chǎn)Leaf和雷諾Zoe的訂單，又拿下了大眾、戴姆勒、沃爾沃等核心歐洲汽車集團定點，成為軟包電池領(lǐng)域龍頭，韓國小老弟SKI也通過軟包路線拿下諸多主機廠二供角色。
細究軟包快速發(fā)展的背后原因，一是傳統(tǒng)燃油車企與當時發(fā)展初期毫無包袱的特斯拉不同，早期大多是采取兼容的車型開發(fā)平臺來做純電或混動車型的思路，以圖縮小成本、縮短開發(fā)周期，因此對于電池包對原有底盤的適配靈活性要求極高，同時也缺乏BMS軟件開發(fā)能力，成組難、管理技術(shù)復(fù)雜的圓柱電池天然不適配他們訴求，而軟包電池的厚度、形狀等可以根據(jù)客戶需求進行定制，就此脫穎而出；二是以底特律三大——通用、福特、克萊斯勒為代表的美國燃油車企最看重電動車的續(xù)航里程，電動車發(fā)展思路上早期更偏向于與主力燃油產(chǎn)品錯位的高端市場，因此從一開始就選擇了能量密度最高的軟包電池；而歐洲也類似，發(fā)展到2020年其面向市場銷量前20的車型中出現(xiàn)了高達15款選擇搭載了軟包電池。
馬斯克口嫌體直 死磕圓柱電池做“大”對抗軟包
但軟包電池同樣存在著難以忽略的劣勢，便是復(fù)雜疊片工藝帶來的低生產(chǎn)效率、高成本和低良率（LGC歐洲工廠一度低于90%），低一致性使得高能量密度的大單體電池在不同溫度下熱耗率不同、進而有在內(nèi)部形成"熱點"引發(fā)壓力和溫度的熱失控，而輕量化鋁塑膜無法阻止熱擴散，產(chǎn)生燃爆風險。
隨著軟包電池逐步成為歐美傳統(tǒng)車企宣傳中引以為豪的更終極電池技術(shù)，馬斯克抓住安全性這點在推特上多次發(fā)起“樸素的商戰(zhàn)”對軟包進行抨擊，宣稱大容量的單體軟包電芯加劇了熱失控問題。而LG化學(xué)同年發(fā)生的巨額召回賠償事件也印證了這一風險的存在，21年3月LG化學(xué)召回了發(fā)生了15起著火事故的現(xiàn)代Kona車型7.6萬輛、LG賠償56億元人民幣，8月又召回了出現(xiàn)過10起著火事故的雪佛蘭Bolt車型14萬輛、LG賠償19億美金。受此影響，近年來軟包電池在全球份額也發(fā)生了停滯。
馬斯克在推特“商戰(zhàn)”以熱失控問題為由堅決抨擊應(yīng)用大軟包單體電芯
盡管馬斯克口頭上在奮力抨擊軟包電池做大容量犧牲安全性的弊端，但身體上是誠實的、積極擁抱了提升單體電芯容量的趨勢。隨著18650圓柱電池單體2.2-3.6Ah容量在能量密度上處于落后階段，于是2017年特斯拉推出的更為平價版的model 3上裝載了松下率先研發(fā)的21700圓柱電芯，初代容量便提升到了4.8Ah、并往5.3Ah發(fā)展，并且倚仗圓柱更強的鋼殼束縛力、負極石墨摻雜了高比容量、高膨脹率的硅氧材料，相比18650電池松下21700提高了約20%能量密度，并且電池包所需電芯數(shù)量減少至4416顆，大幅減少了pack成組難度和所需附件數(shù)量、成本也隨之下降9%。
隨著model 3在2021年出貨量歷史性地突破50萬輛，而前一年推出的平價SUV車型model Y也于2021年銷量急速突破40萬輛，21年Q4公司EBITDA margin達到20%，優(yōu)秀的財務(wù)模型帶來更高的研發(fā)投入空間，馬斯克也在持續(xù)引領(lǐng)特斯拉不停地推進圓柱電池技術(shù)往“更大”方向的發(fā)展，2021年同年特斯拉更進一步推出自研自產(chǎn)的4680電池技術(shù)來追趕軟包電池。4680單體容量達到30Ah，電池包所需電芯數(shù)量進一步減少至960個，同時4680努力把圓柱適配的材料體系挖掘到極致、大膽運用了9系高鎳正極和更高含量的硅氧負極，單體能量密度可達300Wh/kg、較2170進一步提升10%，成本預(yù)計能下降14%。隨著4680在全極耳成型、匯流盤焊接等工藝環(huán)節(jié)良率的提升，預(yù)計4680大圓柱將于2024年完成皮卡車型Cybertruck的裝車交付，預(yù)測電池包容量可達232kWh，目前這款皮卡最新預(yù)定量已經(jīng)突破了恐怖的200萬輛。
“寧王”攜方形電池強勢崛起
但特斯拉勢如破竹的背后，曾經(jīng)深度綁定的松下卻因產(chǎn)能規(guī)劃保守而丟失了全球獨家供應(yīng)商的地位，2020年特斯拉為了保障上海超級工廠電池供應(yīng)正式引入新供應(yīng)商LG化學(xué)和寧德時代，由LGC開發(fā)8系高鎳三元的21700圓柱電池供應(yīng)長續(xù)航版model 3（仍然對LGC拳頭產(chǎn)品軟包抱有敵意），并由寧德時代開發(fā)方形磷酸鐵鋰電池供應(yīng)標準版model 3。特斯拉終于在堅持圓柱十幾年后首次擁抱了方形電芯，背后不能忽視的便是中國方形電池技術(shù)路線的強勢崛起。
鋁殼方形電池最早由三洋電機于1995年發(fā)明，由于鋁殼重量較鋼殼更輕，且形狀規(guī)整、電池包空間利用率高，逐步在手機、筆記本電腦等3C領(lǐng)域采用來替代圓柱，但后因智能手機對于輕薄化的極致需求又被ATL等軟包公司逐步取代。三洋被松下收購后，方形電池技術(shù)除了小規(guī)模供應(yīng)豐田、大眾、福特的混動車型后便被松下束之高閣，專注綁定特斯拉圓柱路線。
真正推動方形電池在對動力電池大規(guī)模應(yīng)用的來自三星SDI。SDI從1999年起就在方形電池領(lǐng)域深耕，敏銳地洞察到動力電池領(lǐng)域在長期角度輕薄化與高能量要讓位于標準化和成本，而這正好與嚴謹老成、追求車規(guī)化到極致的德系車企不謀而合。于是三星SDI在2008年抓住了寶馬在全球考察動力電池方案的機遇，與寶馬核心tier 1博世合資成立電池公司SB Limotive，共同在2009年推出了搭載三星SDI方形電池的純電車型寶馬Megacity，而這正是日后寶馬主力電動車型i3的原型，寶馬集團研發(fā)主管傅樂希也明確表示過“方形電池結(jié)構(gòu)緊湊而且不容易受外力損壞是選擇方形電池的主要原因”。
隨后的寶馬i8插混跑車、iX系列插混SUV、Active插混MPV均選擇了設(shè)計與軟包同樣靈活且標準化更高的三星SDI方形電芯。借著寶馬SDI自此進入了德國動力電池產(chǎn)業(yè)鏈，后又與德系的大眾、奧迪、保時捷等達成了定點車型合作。
但此時方形電池仍然在世界范圍不是主流方案，直至2015年三星SDI也僅憑著寶馬i3出貨了0.5GWh，改善單體能量而做大電芯同樣帶來了一致性的工程難題，A123和三菱LEJ等方形電池廠商甚至出現(xiàn)了大規(guī)模召回危機；而將方形電池帶上巔峰的正是以寧德時代為代表的中國電池廠，而引路人仍是寶馬。
2011年寶馬在中國的合資企業(yè)華晨寶馬正在考慮為純電SUV車型“之諾1E”和寶馬5系插混車型尋找本土動力電池供應(yīng)商，在與國內(nèi)一家電池廠合作告吹后找到了彼時剛剛從ATL獨立出來的寧德時代，而寧德時代接過了這一挑戰(zhàn)性極高的任務(wù)，拿到了寶馬標注著各種需求與參數(shù)的800頁電池技術(shù)文檔，與寶馬駐廠2年多的工程師吃透了方形電池技術(shù)，最終于2013年成為了寶馬國內(nèi)電池供應(yīng)商。
寧德時代有了寶馬背書后，國內(nèi)眾多國產(chǎn)“油改電”車企也看中了方形電池的易用性，并且方形硬殼成組效率天然優(yōu)于圓柱和軟包、隨著其在善于工程化的中國電芯廠手里大幅提升良率后，單體電池容量從SDI的僅60-94AH提升到國內(nèi)200-280AH，方形電池系統(tǒng)能量密度劣勢在慢慢追上。于是寧德時代手里上汽、廣汽、北汽、吉利、長安、東風等眾多國產(chǎn)車企訂單接踵而至，化身“寧王”在2017年起奪下了松下霸占多年的全球動力電池龍頭位置。
自此，走大容量電芯的方殼路線在國內(nèi)開啟了“狂飆”。
中國特色的動力電池發(fā)展路線
中國的鋰電發(fā)展充分展現(xiàn)了“彎道超車”的特色。
國內(nèi)新能源市場在早期的發(fā)展不同于國外由特斯拉原創(chuàng)性的造車新勢力引導(dǎo)，中國新能源汽車的崛起源自最初的公交大巴，它們的高電耗（每次行駛需要消耗200至300度電）推動了這一領(lǐng)域的飛速發(fā)展。早期來看，中國企業(yè)并非未嘗試過圓柱電池，看到特斯拉應(yīng)用18650成功后，中國企業(yè)也迅速跟進，2012年，力神率先將18650電池用于江淮iEV2，數(shù)量雖然僅100輛，但卻展現(xiàn)當時力神的決心。2014年，康迪開始采用該系列產(chǎn)品，隨后2015年，江淮iEV5型號開始了正式的大規(guī)模應(yīng)用。
同一期間，比克也在嘗試將18650電池用于汽車領(lǐng)域，2010年，比克與東風合作，為臺灣花博會提供配套。同年，與北汽福田合作，發(fā)布了北京新能源出租車。2014年，比克實現(xiàn)了2.4Ah圓柱18650電池的量產(chǎn)。這期間，隨著中國新能源汽車的崛起，2014年海外電芯廠三星SDI在西安建廠，也選擇了18650電池。次年，開始向江淮供應(yīng)電池。特斯拉采用21700電池后，中國企業(yè)迅速開始引入這一型號。2017年，力神率先量產(chǎn)21700電池，用于一款純電動物流車，但不同于特斯拉完全基于自己電動化平臺，中國主機廠依然基于其油車平臺，力神在向國內(nèi)主機廠推銷21700電池的路徑上并不順利。同期，國軒高科等企業(yè)開發(fā)了32131、32135尺寸的15Ah磷酸鐵鋰圓柱電池，目前，這些32mm直徑產(chǎn)品依然運用于北汽、江淮、奇瑞等部分小型汽車。但某一個電池尺寸是否能成為行業(yè)的標桿及標準，歸根結(jié)底取決于其配套車型是否能受到消費者青睞，最后，32mm直徑的圓柱電池因終端銷售不及預(yù)期，因此并沒有形成大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。
歸根結(jié)底，圓柱電池的單體數(shù)量龐大，使得BMS系統(tǒng)變得復(fù)雜困難，當時的中國主機廠不敢輕易使用，再加上軟包電池則因其品控一直未能得到很好的解決，無法大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。方形電池因其規(guī)整的外形、高單體容量和有效的空間利用率慢慢的成為了中國主機廠青睞的主流方向。并且，值得注意的是當時補貼政策主要圍繞電池的能量密度，對電池能量密度的具體要求為：純電動乘用車動力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補貼。非快充類純電動客車電池系統(tǒng)能量密度要高于85Wh/kg。專用車裝載動力電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，當年的電池企業(yè)想通過正常的化學(xué)材料體系發(fā)展，是異常艱難的，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更具備性價比，方形電池因為體積更容易做的更大，容易實現(xiàn)更高的能量密度， 因此隨著國家補貼對于能量密度要求的不斷提升，促使了中國動力電池公司鉆研方形電池生產(chǎn)獨特的特色，頭部電池廠均走上了電芯尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化的道路上，當然這也造成了當時三元與磷酸鐵鋰電池的市場格局徹底轉(zhuǎn)換，三元電池市場在2017年占比遠遠超過了磷酸鐵鋰電池。
2016年底，新能源汽車補貼政策首次提出以電池能量密度為參考指標，密度設(shè)最低門檻，密度越高補貼越多
雖然早在2012年，德國汽車協(xié)會VDA就已經(jīng)推出了動力電池的標準尺寸，去幫助主機廠在不同車型中使用相同類型的電池，從而提高電動汽車的可充電電池的通用性和可替代性，但實際上中國主機廠對于續(xù)航的追求，傳統(tǒng)方形電池的VDA尺寸已經(jīng)無法滿足中國主機廠需求，倒逼電芯廠去突破VDA的尺寸，從2017年開始，隨著補貼政策的落實，中國的方形電池實際已經(jīng)突破了VDA標準尺寸。這一年開始，中國新能源領(lǐng)域方形電池在全球開始獨領(lǐng)風騷的崛起已經(jīng)勢不可擋。
在這幾方面的推動下，中國市場在圍繞方形電池的整體產(chǎn)業(yè)鏈在過去實現(xiàn)了非常大的躍進。比如后期比亞迪刀片電池把單個電芯寬度近乎極限的拉長，厚度做薄，然后直接把電芯放在整個PACK里面進行安裝，盡可能簡化模組，這點從2008年其發(fā)布的，F(xiàn)3DM電池尺寸是356*100*28，到中期的VDA EV電池尺寸達到173*115*45，乃至20年的960*90*13.5型號既能看出，或者通過寧德時代在19年所發(fā)布的的NCM811電芯尺寸達到了驚人的79*148*103，是友商3倍的厚度有著異曲同工之妙，也能看到中國電芯廠在電池端的形態(tài)變化上雖百花齊放，但仍然可見流向。在這個思路的延展下，2019年后，比亞迪推出了刀片電池、寧德時代推出了搭載麒麟電池的CTP 3.0結(jié)構(gòu)。
天下三分 4680或?qū)黼姵匦袠I(yè)新變局
雖然方形電池目前是電池企業(yè)最主流的選擇，但其自身性能短板也很明顯。由于方形電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一。方形電池在普通的電子產(chǎn)品上使用沒有問題，但用于需要多只串、并聯(lián)的大型動力電池，相對于標準化產(chǎn)線生產(chǎn)的圓柱形鋰電池，方形電池的生產(chǎn)自動化水平不高，單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，其系統(tǒng)壽命多多少少都會出現(xiàn)于單體壽命的情況。
拋開技術(shù)層面，從商業(yè)層面來看，我們也發(fā)現(xiàn)了，中國特色的電芯發(fā)展道路在汽車制造歷史上第一次出現(xiàn)早期沒有電池生產(chǎn)、BMS管理能力的主機廠產(chǎn)品定義甚至底盤定義受制于電池供應(yīng)商的情況——需要去和電池廠共同研發(fā)的階段。而特斯拉所采用的路線可以更好的定義其產(chǎn)品，比如現(xiàn)在主打的C2C，或以比亞迪為首的C2B封裝模式。當然，特斯拉4680圓柱電池采用的CTC技術(shù)與一體化壓鑄工藝相輔相成，占據(jù)了汽車產(chǎn)業(yè)鏈的主導(dǎo)權(quán)。
在特斯拉產(chǎn)業(yè)鏈體系里，動力電池廠商只需生產(chǎn)電池，然后交付給特斯拉即可。在這個體系下，動力電池廠商話語權(quán)大大降低，特斯拉可以隨意更換供應(yīng)商。以特斯拉最早的合作伙伴松下為例，曾經(jīng)是特斯拉電動汽車工廠唯一鋰電池供應(yīng)商。然而，因為產(chǎn)能提升計劃與特斯拉未能形成同步，被特斯拉果斷“拋棄”，另找LG化學(xué)生產(chǎn)圓柱電池。這種商業(yè)模式的差異使得特斯拉能夠更靈活地適應(yīng)市場需求和技術(shù)變化，更好地掌控產(chǎn)品定義和供應(yīng)鏈，從而保持了競爭優(yōu)勢。因此我們認為，4680電池的誕生，出現(xiàn)了變局的可能——更加容易實現(xiàn)的BMS系統(tǒng)一定程度為主機廠提供了重新獲得對于底盤定義主導(dǎo)權(quán)的機遇。
在電池廠與主機廠話語權(quán)螺旋交替上升的大環(huán)境下，我們確實也發(fā)現(xiàn)了中國頭部電芯企業(yè)不僅僅局限于方形電池的持續(xù)迭代，也在補足在不同形態(tài)電池的技術(shù)能力，不斷提升技術(shù)水平，以加強對產(chǎn)品定義和供應(yīng)鏈的掌控，中國的電池廠們在特斯拉4680發(fā)布后也迅速的響應(yīng)開始了相關(guān)的研發(fā)。2022年，億緯鋰能和寧德時代均獲得了寶馬4695大圓柱電芯定點，各家巨頭如：寧德時代8條產(chǎn)能達12GWh的大圓柱電池的產(chǎn)能規(guī)劃，億緯鋰能與寶馬正在合作建立兩座電芯工廠將率先應(yīng)用在其i3車型，比克計劃在常州建設(shè)的30GWh大圓柱電池產(chǎn)線，國軒高科年產(chǎn)10GWh的4695/46120電池項目已落地安徽合肥，中創(chuàng)新航23年4月發(fā)布的“頂流”圓柱電池已經(jīng)開發(fā)完畢，海辰即將推出的用于儲能領(lǐng)域的46220電芯也量產(chǎn)在即。
縱觀國內(nèi)外動力電池形態(tài)的歷史變遷，無論國內(nèi)還是海外市場，動力電池領(lǐng)域依然處于路線百花齊放、創(chuàng)新技術(shù)此起彼伏的階段，回歸本質(zhì)仍舊是在不同場景尋找成本+質(zhì)控+技術(shù)等方面的平衡最優(yōu)解，三大電芯封裝形態(tài)的市場份額在當前迅速迭代的電池結(jié)構(gòu)、持續(xù)改進的電池加工工藝、螺旋式攀升的基礎(chǔ)材料研發(fā)進步等因素面前依然充滿變化。
我們判斷在中高端純電車型領(lǐng)域，大圓柱在完成工藝良率打磨后將占據(jù)主要裝機份額，46體系乃至未來66體系的大圓柱電池能夠更好地獲取高鎳三元、硅負極、LiFSI、單壁碳納米管等先進材料體系支撐；而方形電池隨著其集成化程度不斷提高，依然將會在定位大眾市場的純電及混動車型里扮演中流砥柱的角色；而軟包電池在中短期的歐美主機廠端將面臨著巨大的向上被大圓柱、向下被方形擠壓的挑戰(zhàn)，但隨著未來3-5年半固態(tài)、固態(tài)電池的成熟，軟包作為最佳承載形態(tài)將有機會重返技術(shù)前沿。
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