中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池商業(yè)化以來，業(yè)界對鋰電池的三種封裝路線：方形、軟包和圓柱，孰優(yōu)孰劣的爭論從未停止。這三種電池中，有絕對的贏家嗎？
從全球市場和技術特征來看，下一代動力電池商業(yè)化之前，方形、軟包和圓柱電池將并存于電動汽車市場。全固態(tài)電池技術成熟后，軟包電池的優(yōu)勢會進一步顯現(xiàn)，不過，這將是一段漫長的過程。
觀市場：方形勢強，圓柱緊隨軟包
目前，市場上的鋰離子動力電池按照外形，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的電池封裝路線，下表列出了全球主要新能源汽車車型應用的電池類型。
來源：《電動汽車觀察家》整理
從全球范圍來看，搭載方形電池的車型多于軟包電池，圓柱電池應用的數(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，圓柱電池供應商絕大多數(shù)是中、日企業(yè)。
麥肯錫：方形/軟包/圓柱沒有絕對贏家
市場占有率高低能代表三種不同封裝方式的優(yōu)勢大小嗎？麥肯錫公司一項調(diào)查得出的答案是，不能。
2017年10月，麥肯錫和美國汽車評估公司A2Mac1將十款主流電動汽車拆解，并對電池等核心零部件做了評估，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、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、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)點和缺點都很顯著，就不同電池對電動車性能的影響而言，沒有絕對贏家。相比電池封裝方式，是否是正向研發(fā)對電動車的程價比影響更大。
不同電動車程價比水平，來源：麥肯錫
調(diào)查結果顯示，在十款車型中，圓柱電池的電芯能量密度最高，接近245瓦時/公斤，緊隨其后的是195瓦時/公斤的軟包電池和160瓦時/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/公斤、138瓦時/公斤和104瓦時/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現(xiàn)了30%以上的增長。
那么，既然三種封裝方式并沒有明顯的優(yōu)劣之分，為何市場占有比例會有較大差別？
一位電池企業(yè)技術負責人表示，選擇哪種電池，主要原因是企業(yè)對電池綜合性能的平衡和車型設計偏好不同。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，又相互牽制。
用以上技術負責人的話來說，控制這些性能“就像用一只手抓著一個已經(jīng)很大的氣球，任何一根手指用力過度，氣球的另一端都可能因承受不住壓力爆掉”。所有企業(yè)都要在這幾項性能間尋得平衡——而這并非易事。
能量密度越高，軟包優(yōu)勢越大
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，上述技術負責人指出，由于單體沒有金屬外殼，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轉嫁到了模塊上，到最終產(chǎn)品的電池包，軟包電池的能量密度優(yōu)勢不一定能體現(xiàn)出來。
在一位動力電池技術專家看來，軟包電池的能量密度優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在做到300瓦時/公斤的水平時。他認為，圓柱和方形電池要做到230-240瓦時/公斤都沒有問題，軟包的能量密度會稍微高一些；但能量密度繼續(xù)提升時，軟包電池的優(yōu)勢就更加明顯了。
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/公斤，如果軟包達到300瓦時/公斤，方形只能達到270瓦時/公斤左右。因此，企業(yè)在實驗室中開發(fā)高能量密度產(chǎn)品時，軟包成為主流的選擇。
為什么能量密度越高，軟包的優(yōu)勢越突出？
上述專家表示，對企業(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安時的電芯就能做到300瓦時/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/公斤，電芯容量就會達到200安時左右，這樣一來，技術難度加大了，生產(chǎn)效率降低了，劣勢比較明顯。
PNNL研發(fā)的300瓦時/公斤的軟包電池
PNNL研發(fā)的300瓦時/公斤的軟包電池構成
2018年6月，美國太平洋西北國家實驗室（PNNL)發(fā)布報告稱，該實驗室與布魯克海文國家實驗室(BNL) 、斯坦福直線加速器中心(SLAC)、斯坦福大學、通用汽車和納維塔斯系統(tǒng)公司(Navitas Systems)等已經(jīng)合作開發(fā)出能量密度大于300瓦時/公斤的鋰金屬軟包電池，并且實現(xiàn)了100次以上的穩(wěn)定循環(huán)。
未來，這些機構還計劃開發(fā)能量密度達到500瓦時/公斤的軟包電池。
軟包最安全？相對的
安全系數(shù)較高也是軟包電池的一項優(yōu)勢。
上述技術專家指出，由于外包裝采用的多是鋁塑膜，一旦內(nèi)部出現(xiàn)問題，軟包電池就會出現(xiàn)鼓脹，從電池表面最薄弱的部位鼓開，但不會發(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的。上述技術負責人認為，雖然軟包電池不易發(fā)生爆炸，但在能量密度比較高時，燃燒也會十分迅速、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械振動、熱循環(huán)和充放電導致的單體破損。
特斯拉Model S的電池包
由于電池單體體積小，能量也小，每個單體之間還留有空隙，散熱性較好。如果要求單體的問題不會對整個系統(tǒng)造成損害，目前來看，圓柱是唯一的方案。從系統(tǒng)角度來講，圓柱電池的安全系數(shù)大于軟包電池，軟包大于方形。
當然，由于電池單體容量較小，要達到一定的動力性能，電池的總量必然巨大，這就對電池系統(tǒng)的連接和熱管理技術提出了極高要求。因此，圓柱電池路線讓不少車企望而卻步。
寶馬集團主管技術及研發(fā)的傅樂希(Klaus Fr?hlich)明確表示，方形電池結構緊湊，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)，因為電池冷卻和成組的挑戰(zhàn)更大，“如果圓柱電池要達到與軟包和方形同樣的能量密度，必須有更激進的電池材料方案，有多方面的風險。”
目前，寶馬i3、寶馬i8、寶馬X5插混版、寶馬X6插混版和寶馬Active混動版搭載的都是三星SDI供應的方形電池。
硬幣的兩面：靈活度OR生產(chǎn)效率
設計靈活，是方形電池和軟包電池共有的優(yōu)勢。尤其是軟包電池，理論上可以做成任意形狀。硬幣的另一面，是標準化程度和生產(chǎn)效率低，以及隨之而來的生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)成本高和品控不佳問題。
曾經(jīng)風光無限的菲斯科卡瑪電動車走向沒落，直接原因就是電池產(chǎn)品質量不過關。
A123 System的電池產(chǎn)品
2011年7月，菲斯科卡瑪正式上市，由于其電池供應商A123 System生產(chǎn)的方形電池存在缺陷，僅僅5個月后，菲斯科被迫召回239輛卡瑪。2012年10月，A123 System宣布破產(chǎn)，直接導致卡瑪停產(chǎn)，第二款車型開發(fā)中斷。
遭遇類似問題的還有三菱歐藍德。
2013年3月，三菱歐藍德插混版在日本上市，4個月后，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德插混版。存在缺陷的方形電池來自三菱汽車、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德混動版在美國的上市時間。
三菱歐藍德混動版的電池包
分析人士認為，菲斯科的倒掉和三菱歐藍德遭遇的市場問題，與車廠的電池路線選擇有很大關系，由于電池制造商為卡瑪和歐藍德混動版提供的電池標準化程度低，獨家供應商一旦出現(xiàn)問題，難以快速找到合適的電池產(chǎn)品替代，最終導致產(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。
墨爾本大學工程學院電動汽車專家、澳大利亞電動汽車委員會成員Bryce Gaton認為，雖然軟包電池擁有能量密度高的優(yōu)勢，但電池包的冷卻要求極高的工藝技術。在他看來，日產(chǎn)方面避而不談聆風的冷卻系統(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指的是聆風從第一代產(chǎn)品開始采用的風冷系統(tǒng)（被動冷卻系統(tǒng)）。雖然日產(chǎn)方面曾表示，新款聆風有可能應用主動冷卻系統(tǒng)，但2018版聆風使用的依舊是被動冷卻系統(tǒng)，電池容量加大了，冷卻系統(tǒng)卻沒有升級，這樣一來，極易引起電池過熱，影響快充效率。對于聆風用戶的質疑，日產(chǎn)方面一直沒有正面回應。
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，都可以達到行業(yè)標準，并不存在明顯區(qū)別。
不同封裝路線的性能差異
就目前的技術水平來看，全優(yōu)的封裝路線是不存在的，一項指標的提升可能要以犧牲另一項或幾項指標為代價，選擇哪種封裝方式，主要看企業(yè)對這幾項性能如何取舍。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”進去的就是好電池
汽車是差異化產(chǎn)品，不同車型對封裝技術的影響很大。車企及其電池供應商會不斷嘗試，尋找最高效、合理的電池包放置方式。
沃藍達的T型電池包
沃藍達可以說是為實現(xiàn)電池布局，使得車內(nèi)空間大打折扣的“反面教材”。由于沃藍達的電池包是T型結構，方形電池無法“塞”入，只能搭載軟包電池，這是通用汽車選擇LG化學為電池供應商的重要原因。
T型電池結構導致沃藍達內(nèi)部空間縮小
一方面，T型結構讓沃藍達的電池包受到更好的保護，即使底盤被剮蹭，也不容易傷及電池包；另一方面，這種構造導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，被不少消費者詬病。
與沃藍達不同，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，由于不同車型為電池包預留的形狀各異，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籃子里，一旦某家電池供應商出了問題，也不會讓全線產(chǎn)品受到影響。
與此同時，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年北美國際汽車展上，展出了21700圓柱電池，并稱將于2021年實現(xiàn)量產(chǎn)。外界普遍將三星SDI此舉看做對特斯拉“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，長度為70毫米，第二個“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、價格最便宜的電池，能量密度可以達到300瓦時/公斤，比18650的233瓦時/公斤提高了近20%。
另外，作為特斯拉的獨家電池單體供應商，松下一方面繼續(xù)與特斯拉合作，計劃2018年底將其超級工廠Gigafactory的21700動力電池產(chǎn)量增加30%以上，另一方面，宣布與豐田研究合作開發(fā)方形電池的可行性,并在豐田旗下電動車型上大規(guī)模應用。
下一代動力電池如何影響封裝路線？
在現(xiàn)有技術條件下，三種封裝方式?jīng)]有優(yōu)劣之分。那么，下一代動力電池會改變這種格局嗎？
下一代動力電池，目前來說，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)電解質的電池，通常以鋰金屬為負極，也可能是石墨類及其他復合材料。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)航里程長等優(yōu)點。
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，今年6月，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構宣布，松下、豐田、本田和日產(chǎn)等23家企業(yè)，以及京都大學等15家學術機構將合作研究全固態(tài)電池，計劃到2022年全面掌握相關技術。
一個月之后，大眾集團宣布向加州初創(chuàng)公司QuantumScape注資1億美元，用于固態(tài)電池的開發(fā)和量產(chǎn)。大眾集團CEO Herbert Diess表示，公司正考慮生產(chǎn)自己的固態(tài)電池，計劃2024年至2025年間量產(chǎn)，以減少對亞洲電池供應商的依賴。
巨頭們紛紛加碼固態(tài)電池研發(fā)，哪種封裝路線會勝出呢？
上述技術專家認為，由于使用固態(tài)電解質，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現(xiàn)的，但如果方形電池依舊是鋁制外殼，能量密度就會大大降低，因此也不具備優(yōu)勢；目前來看，軟包技術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)電池的市場化應用還是將來時。雖然寶馬也已著手開發(fā)固態(tài)電池技術，但Klaus Fr?hlich表示，受限于技術條件，固態(tài)電池應用于量產(chǎn)車型，至少要等到2025年。上述技術專家的看法更加謹慎，他認為，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。在這期間，尋找最好的封裝路線，不過是在上述多項指標間求得最大的平衡。
來源：電動汽車觀察家
作者：李媛媛
