中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰離子電池商業(yè)化以來(lái)，業(yè)界對(duì)鋰電池的三種封裝路線：方形、軟包和圓柱，孰優(yōu)孰劣的爭(zhēng)論從未停止。這三種電池中，有絕對(duì)的贏家嗎？
從全球市場(chǎng)和技術(shù)特征來(lái)看，下一代動(dòng)力電池商業(yè)化之前，方形、軟包和圓柱電池將并存于電動(dòng)汽車市場(chǎng)。全固態(tài)電池技術(shù)成熟后，軟包電池的優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步顯現(xiàn)，不過(guò)，這將是一段漫長(zhǎng)的過(guò)程。
觀市場(chǎng)：方形勢(shì)強(qiáng)，圓柱緊隨軟包
目前，市場(chǎng)上的鋰離子動(dòng)力電池按照外形，或者封裝方式可以分為方形、軟包、圓柱三種。
從左至右依次是圓柱電池、方形電池和軟包電池
在汽車生產(chǎn)商和電池制造商的長(zhǎng)期磨合中（也可能是車廠自己造電池），不少企業(yè)都形成了自己比較擅長(zhǎng)的電池封裝路線，下表列出了全球主要新能源汽車車型應(yīng)用的電池類型。
來(lái)源：《電動(dòng)汽車觀察家》整理
從全球范圍來(lái)看，搭載方形電池的車型多于軟包電池，圓柱電池應(yīng)用的數(shù)量最少。方形電池覆蓋了中、日、韓電池企業(yè)，軟包電池以中、韓電池生廠商為主，圓柱電池供應(yīng)商絕大多數(shù)是中、日企業(yè)。
麥肯錫：方形/軟包/圓柱沒(méi)有絕對(duì)贏家
市場(chǎng)占有率高低能代表三種不同封裝方式的優(yōu)勢(shì)大小嗎？麥肯錫公司一項(xiàng)調(diào)查得出的答案是，不能。
2017年10月，麥肯錫和美國(guó)汽車評(píng)估公司A2Mac1將十款主流電動(dòng)汽車拆解，并對(duì)電池等核心零部件做了評(píng)估，十款車型涵蓋了方形、軟包和圓柱三種電池。
調(diào)查車型包括：2011版日產(chǎn)聆風(fēng)、2013版大眾e-up!、2013版特斯拉Model S、2014版雪佛蘭Spark、2014版寶馬i3、2015版大眾e-Golf、2015版比亞迪e6、2017版日產(chǎn)聆風(fēng)、2017版雪佛蘭Bolt和 2017版歐寶Ampera-e。
麥肯錫指出，三種形狀電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很顯著，就不同電池對(duì)電動(dòng)車性能的影響而言，沒(méi)有絕對(duì)贏家。相比電池封裝方式，是否是正向研發(fā)對(duì)電動(dòng)車的程價(jià)比影響更大。
不同電動(dòng)車程價(jià)比水平，來(lái)源：麥肯錫
調(diào)查結(jié)果顯示，在十款車型中，圓柱電池的電芯能量密度最高，接近245瓦時(shí)/公斤，緊隨其后的是195瓦時(shí)/公斤的軟包電池和160瓦時(shí)/公斤的方形電池。系統(tǒng)能量密度方面，三種電池的差距不大，圓柱、軟包和方形電池分別為132瓦時(shí)/公斤、138瓦時(shí)/公斤和104瓦時(shí)/公斤。
另外，從 2011 年到 2018 年的七年間，這三種封裝方式的電芯能量密度均實(shí)現(xiàn)了30%以上的增長(zhǎng)。
那么，既然三種封裝方式并沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分，為何市場(chǎng)占有比例會(huì)有較大差別？
一位電池企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，選擇哪種電池，主要原因是企業(yè)對(duì)電池綜合性能的平衡和車型設(shè)計(jì)偏好不同。綜合性能包括：能量密度、安全系數(shù)、生產(chǎn)效率、壽命長(zhǎng)短、生產(chǎn)成本、充放電倍率、產(chǎn)品一致性和工藝難度等，它們密切相關(guān)，又相互牽制。
用以上技術(shù)負(fù)責(zé)人的話來(lái)說(shuō)，控制這些性能“就像用一只手抓著一個(gè)已經(jīng)很大的氣球，任何一根手指用力過(guò)度，氣球的另一端都可能因承受不住壓力爆掉”。所有企業(yè)都要在這幾項(xiàng)性能間尋得平衡——而這并非易事。
能量密度越高，軟包優(yōu)勢(shì)越大
不同于主要使用不銹鋼外殼或鋁制外殼的方形電池和圓柱電池，軟包電池多使用更輕更薄的鋁塑膜，重量輕，能量密度大。
不過(guò)，上述技術(shù)負(fù)責(zé)人指出，由于單體沒(méi)有金屬外殼，軟包電池的高能量密度，主要體現(xiàn)在電芯上，但單體的殼的重量其實(shí)轉(zhuǎn)嫁到了模塊上，到最終產(chǎn)品的電池包，軟包電池的能量密度優(yōu)勢(shì)不一定能體現(xiàn)出來(lái)。
在一位動(dòng)力電池技術(shù)專家看來(lái)，軟包電池的能量密度優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在做到300瓦時(shí)/公斤的水平時(shí)。他認(rèn)為，圓柱和方形電池要做到230-240瓦時(shí)/公斤都沒(méi)有問(wèn)題，軟包的能量密度會(huì)稍微高一些；但能量密度繼續(xù)提升時(shí)，軟包電池的優(yōu)勢(shì)就更加明顯了。
同等情況下，方形電池的能量密度普遍比軟包電池低20-30瓦時(shí)/公斤，如果軟包達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，方形只能達(dá)到270瓦時(shí)/公斤左右。因此，企業(yè)在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)高能量密度產(chǎn)品時(shí)，軟包成為主流的選擇。
為什么能量密度越高，軟包的優(yōu)勢(shì)越突出？
上述專家表示，對(duì)企業(yè)而言，除了提高能量密度，還必須考慮循環(huán)、安全和生產(chǎn)效率等因素。由于軟包的鋁塑膜外包裝很輕，70-80安時(shí)的電芯就能做到300瓦時(shí)/公斤的能量密度，方形電池受限于外包裝重量大，能量密度要做到300瓦時(shí)/公斤，電芯容量就會(huì)達(dá)到200安時(shí)左右，這樣一來(lái)，技術(shù)難度加大了，生產(chǎn)效率降低了，劣勢(shì)比較明顯。
PNNL研發(fā)的300瓦時(shí)/公斤的軟包電池
PNNL研發(fā)的300瓦時(shí)/公斤的軟包電池構(gòu)成
2018年6月，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL)發(fā)布報(bào)告稱，該實(shí)驗(yàn)室與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL) 、斯坦福直線加速器中心(SLAC)、斯坦福大學(xué)、通用汽車和納維塔斯系統(tǒng)公司(Navitas Systems)等已經(jīng)合作開(kāi)發(fā)出能量密度大于300瓦時(shí)/公斤的鋰金屬軟包電池，并且實(shí)現(xiàn)了100次以上的穩(wěn)定循環(huán)。
未來(lái)，這些機(jī)構(gòu)還計(jì)劃開(kāi)發(fā)能量密度達(dá)到500瓦時(shí)/公斤的軟包電池。
軟包最安全？相對(duì)的
安全系數(shù)較高也是軟包電池的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
上述技術(shù)專家指出，由于外包裝采用的多是鋁塑膜，一旦內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題，軟包電池就會(huì)出現(xiàn)鼓脹，從電池表面最薄弱的部位鼓開(kāi)，但不會(huì)發(fā)生爆炸。通常，電池單體越大，安全越難保證，尤其是方形電池的安全系數(shù)比軟包電池和圓柱電池都要低。
發(fā)生鼓脹的軟包電池
但軟包電池的安全性是相對(duì)的。上述技術(shù)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，雖然軟包電池不易發(fā)生爆炸，但在能量密度比較高時(shí)，燃燒也會(huì)十分迅速、劇烈。相比之下，圓柱電池的安全性可能更勝一籌，最典型的例子就是特斯拉選用的18650圓柱電池。
特斯拉的18650圓柱電池
特斯拉Model S 的電池包由7000多枚18650圓柱電池組成，每個(gè)電池單體整齊地封裝在金屬槽中，這種布置最大限度地減少了由機(jī)械振動(dòng)、熱循環(huán)和充放電導(dǎo)致的單體破損。
特斯拉Model S的電池包
由于電池單體體積小，能量也小，每個(gè)單體之間還留有空隙，散熱性較好。如果要求單體的問(wèn)題不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成損害，目前來(lái)看，圓柱是唯一的方案。從系統(tǒng)角度來(lái)講，圓柱電池的安全系數(shù)大于軟包電池，軟包大于方形。
當(dāng)然，由于電池單體容量較小，要達(dá)到一定的動(dòng)力性能，電池的總量必然巨大，這就對(duì)電池系統(tǒng)的連接和熱管理技術(shù)提出了極高要求。因此，圓柱電池路線讓不少車企望而卻步。
寶馬集團(tuán)主管技術(shù)及研發(fā)的傅樂(lè)希(Klaus Fr?hlich)明確表示，方形電池結(jié)構(gòu)緊湊，而且不容易受外力損壞，是寶馬選擇方形電池的主要原因，未來(lái)也可能選擇軟包電池，圓柱電池則不在寶馬的選擇范圍之內(nèi)，因?yàn)殡姵乩鋮s和成組的挑戰(zhàn)更大，“如果圓柱電池要達(dá)到與軟包和方形同樣的能量密度，必須有更激進(jìn)的電池材料方案，有多方面的風(fēng)險(xiǎn)。”
目前，寶馬i3、寶馬i8、寶馬X5插混版、寶馬X6插混版和寶馬Active混動(dòng)版搭載的都是三星SDI供應(yīng)的方形電池。
硬幣的兩面：靈活度OR生產(chǎn)效率
設(shè)計(jì)靈活，是方形電池和軟包電池共有的優(yōu)勢(shì)。尤其是軟包電池，理論上可以做成任意形狀。硬幣的另一面，是標(biāo)準(zhǔn)化程度和生產(chǎn)效率低，以及隨之而來(lái)的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高和品控不佳問(wèn)題。
曾經(jīng)風(fēng)光無(wú)限的菲斯科卡瑪電動(dòng)車走向沒(méi)落，直接原因就是電池產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)。
A123 System的電池產(chǎn)品
2011年7月，菲斯科卡瑪正式上市，由于其電池供應(yīng)商A123 System生產(chǎn)的方形電池存在缺陷，僅僅5個(gè)月后，菲斯科被迫召回239輛卡瑪。2012年10月，A123 System宣布破產(chǎn)，直接導(dǎo)致卡瑪停產(chǎn)，第二款車型開(kāi)發(fā)中斷。
遭遇類似問(wèn)題的還有三菱歐藍(lán)德。
2013年3月，三菱歐藍(lán)德插混版在日本上市，4個(gè)月后，車輛搭載的電池出現(xiàn)融化現(xiàn)象，三菱汽車隨即召回全部歐藍(lán)德插混版。存在缺陷的方形電池來(lái)自三菱汽車、三菱商事與GS湯淺合資成立的LEJ公司。不但如此，由于LEJ電池產(chǎn)能不足，三菱方面被迫延遲了歐藍(lán)德混動(dòng)版在美國(guó)的上市時(shí)間。
三菱歐藍(lán)德混動(dòng)版的電池包
分析人士認(rèn)為，菲斯科的倒掉和三菱歐藍(lán)德遭遇的市場(chǎng)問(wèn)題，與車廠的電池路線選擇有很大關(guān)系，由于電池制造商為卡瑪和歐藍(lán)德混動(dòng)版提供的電池標(biāo)準(zhǔn)化程度低，獨(dú)家供應(yīng)商一旦出現(xiàn)問(wèn)題，難以快速找到合適的電池產(chǎn)品替代，最終導(dǎo)致產(chǎn)品召回，甚至企業(yè)難以為繼。
軟包電池也難逃品控難的困擾。
墨爾本大學(xué)工程學(xué)院電動(dòng)汽車專家、澳大利亞電動(dòng)汽車委員會(huì)成員Bryce Gaton認(rèn)為，雖然軟包電池?fù)碛心芰棵芏雀叩膬?yōu)勢(shì)，但電池包的冷卻要求極高的工藝技術(shù)。在他看來(lái)，日產(chǎn)方面避而不談聆風(fēng)的冷卻系統(tǒng)，一定程度在于其軟包電池的熱管理系統(tǒng)操控不佳。
Bryce Gaton指的是聆風(fēng)從第一代產(chǎn)品開(kāi)始采用的風(fēng)冷系統(tǒng)（被動(dòng)冷卻系統(tǒng)）。雖然日產(chǎn)方面曾表示，新款聆風(fēng)有可能應(yīng)用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，但2018版聆風(fēng)使用的依舊是被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，電池容量加大了，冷卻系統(tǒng)卻沒(méi)有升級(jí)，這樣一來(lái)，極易引起電池過(guò)熱，影響快充效率。對(duì)于聆風(fēng)用戶的質(zhì)疑，日產(chǎn)方面一直沒(méi)有正面回應(yīng)。
此外，方形、軟包和圓柱電池的差異性還體現(xiàn)在壽命、成本和充放電倍率等方面。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，理論上，三種封裝方式的這些性能略有差異，但在主流車型上，都可以達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并不存在明顯區(qū)別。
不同封裝路線的性能差異
就目前的技術(shù)水平來(lái)看，全優(yōu)的封裝路線是不存在的，一項(xiàng)指標(biāo)的提升可能要以犧牲另一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)為代價(jià)，選擇哪種封裝方式，主要看企業(yè)對(duì)這幾項(xiàng)性能如何取舍。此外，車型偏好也是決定車企電池封裝路線的重要因素。
能“塞”進(jìn)去的就是好電池
汽車是差異化產(chǎn)品，不同車型對(duì)封裝技術(shù)的影響很大。車企及其電池供應(yīng)商會(huì)不斷嘗試，尋找最高效、合理的電池包放置方式。
沃藍(lán)達(dá)的T型電池包
沃藍(lán)達(dá)可以說(shuō)是為實(shí)現(xiàn)電池布局，使得車內(nèi)空間大打折扣的“反面教材”。由于沃藍(lán)達(dá)的電池包是T型結(jié)構(gòu)，方形電池?zé)o法“塞”入，只能搭載軟包電池，這是通用汽車選擇LG化學(xué)為電池供應(yīng)商的重要原因。
T型電池結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沃藍(lán)達(dá)內(nèi)部空間縮小
一方面，T型結(jié)構(gòu)讓沃藍(lán)達(dá)的電池包受到更好的保護(hù)，即使底盤被剮蹭，也不容易傷及電池包；另一方面，這種構(gòu)造導(dǎo)致后排中間形成隆起，通用干脆把扶手箱和杯架連到了后排座椅位置，硬是把五座車變成了四座車，被不少消費(fèi)者詬病。
與沃藍(lán)達(dá)不同，特斯拉選擇將電池包掛在底盤位置，這樣的布局雖然沒(méi)有損失車內(nèi)空間，但將電池包置于比較“脆弱”的境地，一旦底盤發(fā)生剮蹭難免殃及電池包。
可以說(shuō)，由于不同車型為電池包預(yù)留的形狀各異，采用的電池封裝方式也不盡相同，同一車企可能選取多種電池類型，另一方面，不把全部雞蛋放在一個(gè)籃子里，一旦某家電池供應(yīng)商出了問(wèn)題，也不會(huì)讓全線產(chǎn)品受到影響。
與此同時(shí)，電池制造商的產(chǎn)品路線也在不斷拓展。
以三星SDI為例，這家為寶馬、奧迪、克萊斯勒等車企提供方形電池的企業(yè)，在2017年北美國(guó)際汽車展上，展出了21700圓柱電池，并稱將于2021年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。外界普遍將三星SDI此舉看做對(duì)特斯拉“2170”圓柱電池的挑戰(zhàn)。
與18650圓柱電池的命名規(guī)則相同，21700代表電池的直徑為21毫米，長(zhǎng)度為70毫米，第二個(gè)“0”代表柱型。特斯拉別出心裁低把這種電池命名為“2170”，馬斯克宣稱2170將是全球能量密度最高、價(jià)格最便宜的電池，能量密度可以達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，比18650的233瓦時(shí)/公斤提高了近20%。
另外，作為特斯拉的獨(dú)家電池單體供應(yīng)商，松下一方面繼續(xù)與特斯拉合作，計(jì)劃2018年底將其超級(jí)工廠Gigafactory的21700動(dòng)力電池產(chǎn)量增加30%以上，另一方面，宣布與豐田研究合作開(kāi)發(fā)方形電池的可行性,并在豐田旗下電動(dòng)車型上大規(guī)模應(yīng)用。
下一代動(dòng)力電池如何影響封裝路線？
在現(xiàn)有技術(shù)條件下，三種封裝方式?jīng)]有優(yōu)劣之分。那么，下一代動(dòng)力電池會(huì)改變這種格局嗎？
下一代動(dòng)力電池，目前來(lái)說(shuō)，主要指固態(tài)電池，是將傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解液和隔膜替換為固態(tài)電解質(zhì)的電池，通常以鋰金屬為負(fù)極，也可能是石墨類及其他復(fù)合材料。與目前使用的電池相比，固態(tài)電池具有安全性高、循環(huán)壽命和續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
豐田展示的軟包全固態(tài)電池
基于固態(tài)電池的種種優(yōu)勢(shì)，今年6月，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)宣布，松下、豐田、本田和日產(chǎn)等23家企業(yè)，以及京都大學(xué)等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將合作研究全固態(tài)電池，計(jì)劃到2022年全面掌握相關(guān)技術(shù)。
一個(gè)月之后，大眾集團(tuán)宣布向加州初創(chuàng)公司QuantumScape注資1億美元，用于固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)。大眾集團(tuán)CEO Herbert Diess表示，公司正考慮生產(chǎn)自己的固態(tài)電池，計(jì)劃2024年至2025年間量產(chǎn)，以減少對(duì)亞洲電池供應(yīng)商的依賴。
巨頭們紛紛加碼固態(tài)電池研發(fā)，哪種封裝路線會(huì)勝出呢？
上述技術(shù)專家認(rèn)為，由于使用固態(tài)電解質(zhì)，柔軟性不足，只能使用疊片方式，因此，固態(tài)電池不可能選擇圓柱封裝方式；理論上，使用方形封裝是可以實(shí)現(xiàn)的，但如果方形電池依舊是鋁制外殼，能量密度就會(huì)大大降低，因此也不具備優(yōu)勢(shì)；目前來(lái)看，軟包技術(shù)最適合真正意義上的固態(tài)電池,即純固態(tài)電池。
但是，由于工藝難度大，純固態(tài)電池的市場(chǎng)化應(yīng)用還是將來(lái)時(shí)。雖然寶馬也已著手開(kāi)發(fā)固態(tài)電池技術(shù)，但Klaus Fr?hlich表示，受限于技術(shù)條件，固態(tài)電池應(yīng)用于量產(chǎn)車型，至少要等到2025年。上述技術(shù)專家的看法更加謹(jǐn)慎，他認(rèn)為，純固態(tài)電池的商業(yè)化至少還需要十年。
以此判斷，十年之內(nèi)，方形、軟包和圓柱路線將共存，在不同車型上發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。在這期間，尋找最好的封裝路線，不過(guò)是在上述多項(xiàng)指標(biāo)間求得最大的平衡。
來(lái)源：電動(dòng)汽車觀察家
作者：李媛媛
