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(diǎn)。鋰電池行業(yè)經(jīng)歷了長達(dá)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(qiáng)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?dú)w因于歷史原因——?dú)v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(jī)廠和電池廠在不同歷史節(jié)點(diǎn)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(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、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(tuán)隊(duì)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(dāng)時性能遙遙領(lǐng)先的正極方案，但受限于負(fù)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(dāng)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(dá)到80Wh/kg，約為當(dāng)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(fù)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(fù)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(dāng)時這個電池最開始是為了索尼自家的手持?jǐn)z像機(jī)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(jī)、相機(jī)、手機(jī)、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(jìn)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(dá)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(dān)負(fù)日本國家北極考察隊(duì)從基地研究站到城鎮(zhèn)、機(jī)場的日常運(yùn)輸重任，且在沒有日產(chǎn)汽車提供技術(shù)支持或維護(hù)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(qiáng)度，日產(chǎn)沒有信心把它投放到C端市場，僅僅限于車隊(duì)to B銷售，從1997年起向各個實(shí)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(jìn)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(jī)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(yáng)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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?yàn)榛靹榆囆彤吘闺姵匕鼛щ娏枯^低、單車不足2度電，12萬臺累計出貨也僅有200MWh；二是因?yàn)榛靹赢a(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(biāo)準(zhǔn)和矩陣式排列方式難以滿足對電池包規(guī)格和體積進(jìn)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(jī)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(dá)190km。但這款純電車型與日產(chǎn)當(dāng)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(fèi)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(jìn)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(jì)危機(jī)期間發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)整合機(jī)會，最終斥資46億美金對日本同行三洋電機(jī)進(jìn)行了控股權(quán)收購。三洋電機(jī)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(dāng)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(xiàng)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(yùn)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(jī)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(shí)現(xiàn)
特斯拉及其創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)出來的湯姆蓋奇和他的AC Propulsion公司，當(dāng)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(jìn)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(diǎn)是研究如何使用標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)時已經(jīng)體會到18650是當(dāng)時條件下品質(zhì)最好、價格最便宜的電池，但難點(diǎn)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(dāng)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(dá)到了3.6秒、同時續(xù)航大幅增加到了480公里，驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(yàn)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(dāng)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(dāng)2004年啟動量產(chǎn)后特斯拉團(tuán)隊(duì)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(dāng)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(dāng)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(rèn)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地完成了其獨(dú)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(qiáng)，BMS能夠在將近7000個小電芯串并聯(lián)狀態(tài)下精準(zhǔn)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(rèn)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(fù)責(zé)...），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(dāng)時純電車?yán)m(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(qiáng)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(dá)到了245Wh/kg，電池包重量和體積得到了進(jìn)一步優(yōu)化。最終model S大獲成功，2015年便達(dá)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(kuò)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(dāng)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(dú)家供應(yīng)18650給特斯拉model S和X兩款車型，2014年實(shí)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(dá)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(jī)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(dá)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(tuán)實(shí)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(jī)量（Gwh）和海外電動乘用車市場電池企業(yè)裝機(jī)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(fēng)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(zhǔn)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(diǎn)。
2010年-2021年間，在軟包和方形電芯通過持續(xù)工程化改進(jìn)、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(shí)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(jī)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)軟包電池打造成符合車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fèi)，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(fēng)Leaf，事實(shí)上是全球真正意義上第一個實(shí)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(yàn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)行對標(biāo)，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(jìn)動力電池廠商全球前三，全球軟包份額達(dá)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(yuǎn)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(tuán)定點(diǎn)，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(jī)廠二供角色。
細(xì)究軟包快速發(fā)展的背后原因，一是傳統(tǒng)燃油車企與當(dāng)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(jìn)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(dá)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(jìn)而有在內(nèi)部形成"熱點(diǎn)"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(kuò)散，產(chǎn)生燃爆風(fēng)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(diǎn)在推特上多次發(fā)起“樸素的商戰(zhàn)”對軟包進(jìn)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(fēng)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(shí)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(qiáng)的鋼殼束縛力、負(fù)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(dá)到30Ah，電池包所需電芯數(shù)量進(jìn)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(yùn)用了9系高鎳正極和更高含量的硅氧負(fù)極，單體能量密度可達(dá)300Wh/kg、較2170進(jìn)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(dá)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(qiáng)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(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)勢崛起。
鋁殼方形電池最早由三洋電機(jī)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(jī)、筆記本電腦等3C領(lǐng)域采用來替代圓柱，但后因智能手機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化和成本，而這正好與嚴(yán)謹(jǐn)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(jī)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(tuán)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(biāo)準(zhǔn)化更高的三星SDI方形電芯。借著寶馬SDI自此進(jìn)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(dá)成了定點(diǎn)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(jī)；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(dú)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(biāo)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(fēng)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(jìn)，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(dāng)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(fēng)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(shí)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(jī)廠依然基于其油車平臺，力神在向國內(nèi)主機(jī)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(yùn)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(biāo)桿及標(biāo)準(zhǔn)，歸根結(jié)底取決于其配套車型是否能受到消費(fèi)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(dāng)時的中國主機(jī)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(jī)廠青睞的主流方向。并且，值得注意的是當(dāng)時補(bǔ)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(bǔ)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(dāng)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?yàn)轶w積更容易做的更大，容易實(shí)現(xiàn)更高的能量密度， 因此隨著國家補(bǔ)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(dú)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(dāng)然這也造成了當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了磷酸鐵鋰電池。
2016年底，新能源汽車補(bǔ)貼政策首次提出以電池能量密度為參考指標(biāo)，密度設(shè)最低門檻，密度越高補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)尺寸，去幫助主機(jī)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(shí)際上中國主機(jī)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(jī)廠需求，倒逼電芯廠去突破VDA的尺寸，從2017年開始，隨著補(bǔ)貼政策的落實(shí)，中國的方形電池實(shí)際已經(jīng)突破了VDA標(biāo)準(zhǔn)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(dú)領(lǐng)風(fēng)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(shí)現(xiàn)了非常大的躍進(jìn)。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(jìn)行安裝，盡可能簡化模組，這點(diǎn)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(dá)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(dá)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(jìn)行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因?yàn)樾吞柼?，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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(dāng)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?yàn)楫a(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(rèn)為，4680電池的誕生，出現(xiàn)了變局的可能——更加容易實(shí)現(xiàn)的BMS系統(tǒng)一定程度為主機(jī)廠提供了重新獲得對于底盤定義主導(dǎo)權(quán)的機(jī)遇。
在電池廠與主機(jī)廠話語權(quán)螺旋交替上升的大環(huán)境下，我們確實(shí)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(bǔ)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(qiáng)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(diǎn)，各家巨頭如：寧德時代8條產(chǎn)能達(dá)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(xiàng)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(dāng)前迅速迭代的電池結(jié)構(gòu)、持續(xù)改進(jìn)的電池加工工藝、螺旋式攀升的基礎(chǔ)材料研發(fā)進(jìn)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(jī)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(fù)極、LiFSI、單壁碳納米管等先進(jìn)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(jī)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(jī)會重返技術(shù)前沿。
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