中國儲能網(wǎng)訊：從18650到21700，單體電池向大尺寸發(fā)展肯定會在一定程度提高單體電池容量、能量密度，降低動力電池系統(tǒng)成本，但217000電池同樣會面臨著各種問題。
今年1月，特斯拉宣布采用21700型鋰離子電池，行業(yè)內(nèi)頓時刮起了一陣“21700”旋風(fēng)。作為圓柱型鋰離子電池的風(fēng)向標，特斯拉將18650電池成功應(yīng)用于電動汽車之后，引發(fā)了國內(nèi)電池企業(yè)密集投產(chǎn)18650的風(fēng)潮，18650電池也在電動汽車、電動工具、移動電源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
而此次特斯拉大規(guī)模應(yīng)用21700電池，也引起了業(yè)內(nèi)的極大期待。在此情況之下，包括遠東福斯特、猛獅新能源、深圳比克、億緯鋰能、力神電池等電池企業(yè)都宣稱將布局21700電池，同時還有大批圓柱電池企業(yè)表示高度關(guān)注，正在進行技術(shù)儲備，將21700電池納入公司未來產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中。
特斯拉21700電池
尤其最近一個月，一些電池企業(yè)21700電池生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，快速將21700電池這股旋風(fēng)壯大為“龍卷風(fēng)”。6月28日，億緯鋰能建設(shè)的4條兼容21700與18650、年產(chǎn)能3.5GWh的全自動化圓柱生產(chǎn)線在金泉投產(chǎn)，這是國內(nèi)首條21700電池生產(chǎn)線投資。7月20日，力神電池4GWh 21700動力電池項目投產(chǎn)。
從18650到21700，背后主要推手市特斯拉，動機就是為了降低其電動汽車成本，國內(nèi)企業(yè)跟風(fēng)而起以占先機。但在筆者看來，國內(nèi)業(yè)界掀起的這股21700“龍卷風(fēng)”對于真正推動鋰離子電池技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎沒有任何意義。
21700對動力電池系統(tǒng)提升有限
根據(jù)特斯拉披露的信息顯示，特斯拉生產(chǎn)的21700電池單體比能量達到300Wh/kg，比18650電池能量密度提升20%以上、單體容量提升35%、成本降低9%達155美元/KWh、在同等能量下所需電池數(shù)量可減少約1/3，系統(tǒng)重量減輕了10%。
據(jù)億緯鋰能表示，其21700電池容量達4Ah，比18650電池容量提升50%；能量密度達215Wh/kg，比18650電池提升5%~10%；成組數(shù)量降低約30%、產(chǎn)品直通率≥96%。根據(jù)天津力神發(fā)布的高容量21700電池產(chǎn)品顯示，單體電池容量4Ah的能量密度為210Wh/kg，單體電池容量5Ah的能量密度為260Wh/kg。
力神21700電池發(fā)布現(xiàn)場
對比上述公司的21700電池數(shù)據(jù)可以看出，與18650電池相比，21700電池的單體容量提高了35~50%，能量密度高5~20%，成組數(shù)量降低三分之一左右。表面上看21700電池性能提升較為明顯，但實際上并不如想象中的那么美好。
對比18650電池21700電池體積增加了46.5%，對應(yīng)單體容量應(yīng)該增長45%左右，在相同容量的動力電池組中，21700電池使用數(shù)量應(yīng)較18650少四成左右；在假設(shè)殼體厚度一致的情況下，21700電池殼體重量較18650上升了26.9%，考慮到增加的電池材料重量，21700電池重量應(yīng)該較18650提高了35%左右。照此計算，21700單體電池的能量密度較18650高10%左右。對照各公司發(fā)布的21700電池數(shù)據(jù)看，基本上和理論計算結(jié)果一致。
盡管21700電池的單體容量以及能量密度較18650電池有不同程度提高，同等能量下電池數(shù)量會減少，這會帶來整個Pack內(nèi)部金屬連接件數(shù)量的減少。但其體積也提升了，在動力電池系統(tǒng)成組時單體電池之間的安全冗余空間也隨之增大，最終結(jié)果是系統(tǒng)重量降低10%左右，動力電池系統(tǒng)成本降低不到10%。
也就是說，從18650到21700，盡管單體電池性能提升較為明顯，但動力電池系統(tǒng)的能量密度提升和成本下降都只有10%，并不如單體電池那么明顯。
單極力推 市場前景并不樂觀
當(dāng)前，只有特斯拉大力推動21700電池在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用，其目的是為了降低其電動汽車成本，提升其電動汽車的市場競爭力。之所以這么做，還在于特斯拉在鋰離子電池成組技術(shù)上的優(yōu)勢，通過復(fù)雜的串并聯(lián)方式將近8000顆18650型電池組成動力電池系統(tǒng)，這也是其立足之本。
特斯拉電池成組技術(shù)優(yōu)勢明顯
但隨著市場競爭日趨激烈，為了向中低端市場拓展，特斯拉迫切需要降低電池系統(tǒng)乃至整車成本。在18650電池差不多到極致的情況下（工藝十分成熟，單體電池成本基本上取決于原材料價格變動情況），在鋰離子電池技術(shù)沒有取得關(guān)鍵性突破時，向大尺寸單體電池方向發(fā)展不失為一條好的路徑，于是乎21700電池進入了特斯拉的視野。
在經(jīng)過驗證之后，特斯拉開始嘗試生產(chǎn)并使用21700電池。21700的優(yōu)勢已經(jīng)得到了眾多電池企業(yè)和業(yè)內(nèi)人士的認可，國內(nèi)電池生產(chǎn)企業(yè)紛紛響應(yīng)，積極投入到21700電池產(chǎn)業(yè)化的大軍中。
但與之對應(yīng)的是國內(nèi)電動汽車企業(yè)對此反應(yīng)平淡。我國電動汽車企業(yè)只要極少數(shù)采用的與特斯拉類似電池成組技術(shù)，更多的是以方形和軟包電池為主，不需要使用到18650電池，更不用說21700電池。即使是有電動汽車企業(yè)采用了18650電池，其電池模組、PACK、箱體和整車底盤等結(jié)構(gòu)設(shè)計方面基本成型，幾乎沒有意愿采用21700電池。
要知道為了適配新電池，特斯拉專門為Model3設(shè)計了全新的電池組模塊和Pack架構(gòu)和底盤結(jié)構(gòu)，能夠最大限度的發(fā)揮21700電池的能量密度和綜合成本優(yōu)勢，但國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)卻不具備這種完全正向開發(fā)的能力。加上21700電池還沒有經(jīng)過市場驗證盲目，跟風(fēng)直接導(dǎo)入21700將會對新能源汽車產(chǎn)生極大的安全風(fēng)險。
21700電池安全風(fēng)險增加
一是產(chǎn)品性能能否有保障？經(jīng)過多年研發(fā)制造的經(jīng)驗積累，18650電池以尺寸高度標準統(tǒng)一、制造工藝成熟、安全性和一致性高、成本低、能量密度高等優(yōu)點得到了業(yè)內(nèi)的高度認可，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。松下、三星SDI的18650電池良率一般在98%以上，而國內(nèi)的良率一般在90%左右。但換成21700之后，制造工藝尚不完全成熟，良率肯定會受到影響，產(chǎn)品的一致性也難以保障。
二是安全風(fēng)險如何防范？一般來說，鋰離子電池單體電池體積越大，能量密度越高，安全風(fēng)險呈幾何級數(shù)增長。經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用實踐，18650電池的安全性和可靠性得到了大家的認可。而21700電池尚未經(jīng)過市場考驗，其安全性和可靠性如何保障？尤其是數(shù)千個電池成組，其安全風(fēng)險更是放大了幾百倍。
三是綜合成本是否具有優(yōu)勢？盡管特斯拉和億緯鋰能等其它電池企業(yè)都表示，21700電池在能量密度、制造成本、PACK成本等方面都比18650更有優(yōu)勢，是企業(yè)實現(xiàn)降低動力電池價格，降低整車制造成本的有效方式。
綜合來看，21700電池的前景并不樂觀。
瓶頸難突破 鋰離子電池面臨圍堵
過去的30年里，鋰離子電池發(fā)生了翻天覆地的變化。形狀上，從最初的方形到后來的圓柱形，再到軟包電池。容量上，從最開始一塊手機用鋰離子電池的容量不足500mAh到現(xiàn)在一塊手機用電池的容量就達到4000mAh，而應(yīng)用于電動汽車的單體電池容量超過100Ah。
主要材料方面更是突飛猛進，正極材料從鈷酸鋰到富鋰錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰等，現(xiàn)在還有更高電壓的磷酸錳鋰（LiMnPO4）、磷酸鈷鋰（LiCoPO4）等；負極材料最初以天然石墨、中間相碳微球等材料為主，后來擴展到人工石墨、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等碳素材料以及鈦酸鋰，其他尚未產(chǎn)業(yè)化的材料還包括錫基負極材料、合金類負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料等。
電解液從液態(tài)擴展到聚合物，以及現(xiàn)在非常熱門的固態(tài)電解液；隔膜主要使用聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴微孔膜，其他隔膜種類包括聚偏氟乙烯（PVDF）、纖維素復(fù)合膜、聚酰亞胺膜（PI）、納米纖維隔膜等。
應(yīng)用領(lǐng)域上，從最初使用的手機，拓展到筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品，到現(xiàn)在已經(jīng)深入生活的各個領(lǐng)域，包括電動工具、電動玩具、電動自行車、電動汽車等。但隨著電動汽車的廣泛普及，鋰離子電池能量密度低、充電時間長等問題愈發(fā)突出，已經(jīng)成為制約鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵因素。
鋰離子電池看起來非常簡單，正極材料、負極材料、隔膜和電解液，再加上電極。事實上，別看它不起眼，鋰離子電池材料體系非常嚴密，真正是牽一發(fā)而動全身。如果要動它哪怕一分一毫，假設(shè)只是一個電極換成新材料，沒有長年累月的測試，誰也不敢打包票。
這也是現(xiàn)在鋰離子電池材料研究非常熱火，各種新材料、新技術(shù)報道層出不窮，而鋰離子電池進步緩慢，材料體系基本沒有變化的根本原因。與之同時，各類新型電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化正在加速，直接劍指鋰離子電池的各項弱點。
鋁空氣金屬燃料電池電堆
如鋅、鎂、鋰、鋁等金屬燃料電池比能量均超過300Wh/kg，甚至高達1000 Wh/kg，均大大超過了當(dāng)前鋰離子電池；而采用錐形納米管狀硅材料或者3D多孔結(jié)構(gòu)納米硅作為負極材料，鋰離子電池的充電時間可以由目前的幾個小時降至10分鐘左右；有機回流電池、超級電容器、雙碳電池、固態(tài)鋰離子電池等技術(shù)則能有效解決當(dāng)前鋰離子電池起火難題。
應(yīng)用牽引 加快突破核心環(huán)節(jié)
盡管特斯拉采用21700為電動汽車發(fā)展提供了新的思路，但同時也使得產(chǎn)業(yè)關(guān)注的核心轉(zhuǎn)變?yōu)楣に囍瞥痰倪M步，在鋰離子電池性能沒有明顯提升情況下，那只能治標不治本。要推動鋰離子電池長久發(fā)展，關(guān)鍵還是要治本。
筆者竊以為，應(yīng)用市場需求是帶動鋰離子電池進步最大的力量。二次電池的發(fā)展歷史充分證明了這一點，鎳鎘、鎳氫等電池的興起在于小型消費電池產(chǎn)品市場的帶動，而衰落也在于這一市場被鋰離子電池所蠶食。
鉛酸電池能夠占據(jù)二次電池最大市場份額，在于其占據(jù)汽車啟停電池市場，這也是其經(jīng)久不衰的根本所在，但由于其缺乏新的應(yīng)用市場，鉛酸電池技術(shù)進步十分有限，同時還面臨著鋰離子電池的強力競爭。
當(dāng)前，鋰離子電池已經(jīng)完全占據(jù)消費電子產(chǎn)品市場，隨著消費電子產(chǎn)品不斷發(fā)生變革，鋰離子電池也在隨著進步，由于目前還沒有出現(xiàn)能夠在消費電子產(chǎn)品市場與鋰離子電池競爭的二次電池，鋰離子電池還將占據(jù)消費電子產(chǎn)品市場很長一段時間。
鋰離子電池已成功打開電動車市場
同時，鋰離子電池正在逐步打開在電動工具、電動自行車、電動汽車等動力電池市場，為其未來技術(shù)進步提供了良好的動力，再加上其競爭對手燃料電池、液流電池等新型電池還處于起步階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，這為鋰離子電池技術(shù)變革提供了難得的歷史機遇期。
因此，筆者認為，鋰離子電池未來發(fā)展方向應(yīng)該瞄準動力電池、儲能電池，在競爭對手尚未發(fā)展起來的機遇期，通過提高電池比能量、降低生產(chǎn)成本、增加循環(huán)次數(shù)，積極占領(lǐng)汽車動力市場，拓展儲能市場，擠占鉛酸電池市場空間，利用產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢對燃料電池、液流電池等新型電池產(chǎn)業(yè)化進程造成影響，進而搶占有利競爭地位。
要實現(xiàn)上述目標，最根本還在于鋰離子電池實現(xiàn)革命性變化。從當(dāng)前鋰離子電池的材料結(jié)構(gòu)看，正極材料已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能提升的最關(guān)鍵因素，不管是現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰，還是在研究當(dāng)中的各種新型正極材料，都存在局限性：一是理論比能量有限，相對于負極材料而言；二是實際比能量和理論值還有較大差距；三是鋰離子電池充電時間過快的話就易造成正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
正極材料突破是規(guī)模推廣的關(guān)鍵
因此，筆者認為要實現(xiàn)鋰離子電池革命性變化，必須首先突破正極材料的限制。一方面是繼續(xù)開發(fā)全新的正極材料，具備工作電壓高、理論和實際比能量高、溫度特性好、材料來源豐富、循環(huán)壽命長、安全可靠、成本較低等特性，從材料特性以及過往的正極材料研究歷史看，要實現(xiàn)這一點難度非常之大，10年、20年內(nèi)完成的可能性極低。
二是充分發(fā)揮現(xiàn)有正極材料的潛力，創(chuàng)造性運用以納米技術(shù)為代表的新材料制備技術(shù)以及碳納米管、石墨烯等新材料，通過對現(xiàn)有正極材料改性、包覆等手段，改進現(xiàn)有正極材料制備工藝，解決當(dāng)前正極材料存在的實際比能量低、充電時間長、生產(chǎn)成本高等問題，加快鋰離子電池在動力市場、儲能市場的應(yīng)用。
筆者認為第二種方法實現(xiàn)的可能性較大，一是它不需要對現(xiàn)有鋰離子電池材料體系做大的改變，只需要細微調(diào)整，難度低、時間短；二是納米技術(shù)等新技術(shù)和碳納米管、石墨烯等新材料正在不斷成熟，為其在鋰離子電池中的應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。
一旦正極材料實現(xiàn)突破，也必然要求鋰離子電池整個材料體系發(fā)生變化，只有這樣才能實現(xiàn)鋰離子電池性能根本性提升。當(dāng)然，隔膜、電解液要實現(xiàn)突破也是存在難度的，相較而言，負極材料突破的難度就小得多。另外電池制備技術(shù)和電池成組技術(shù)進步是必要的，這也是提升鋰離子電池比能量以及降低成本的關(guān)鍵因素。
