2020 年 2 月 3 日，寧德時(shí)代正式發(fā)布公告，將成為特斯拉鋰離子電池供應(yīng)商，供貨有效期為兩年，從 2020 年 7 月 1 日開始到 2022 年 6 月 30 日。寧德時(shí)代將以訂單量的形式向特斯拉供應(yīng)電池，是圓柱電池？還是方形電池又或者是軟包電池？成為目前消費(fèi)者非常關(guān)心的問題之一。
在寧德時(shí)代發(fā)布的公告中，并沒有提及為特斯拉供應(yīng)的是何種電池類型，有內(nèi)部人士告訴新出行，寧德時(shí)代未來(lái)為特斯拉提供的將是方形電池。同時(shí)也有另一種猜想：寧德時(shí)代為特斯拉提供的電池只使用在 Model Y 上。拋開猜想，準(zhǔn)車主們先要了解的是電動(dòng)汽車電池都有哪些形式？?jī)?yōu)缺點(diǎn)是什么？哪一種會(huì)是未來(lái)的發(fā)展大趨勢(shì)？今天的文章為大家準(zhǔn)備了一些科普小知識(shí)。
三種形式：圓柱電池、方形電池、軟包電池
圓柱電池顧名思義即和我們常見的五號(hào)電池相似的圓柱型電池
方形電池同樣不難理解，即由方形鋁合金外殼加固包裹的電池
軟包電池樣如其名，由鋁塑復(fù)合膜作為封裝材料的軟質(zhì)電池
簡(jiǎn)單理解：這三個(gè)種類主要都是在電池的外型上做區(qū)分。以目前市面上主流的電動(dòng)車為例，特斯拉旗下全部車型都采用的是圓柱電池，國(guó)產(chǎn)車型只有零跑 S01、奇瑞小螞蟻、江淮 iEV6E 這樣的小型車使用和特斯拉一樣的 18650 電池；蔚來(lái)全系、比亞迪等國(guó)產(chǎn)車型大多采用的是方形電池；奔馳 EQC、奧迪 e-tron 以及保時(shí)捷 Taycan 用的是軟包電池，接下來(lái)我們?yōu)榇蠹以敿?xì)的介紹這三種類型的電池都有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
圓柱電池：發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)最成熟
優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟成本較低、穩(wěn)定耐用、單體能量密度高、單體一致性好
缺點(diǎn)：能量密度的上升空間小、大量組合對(duì) BMS 要求高
常見的 18650 電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池標(biāo)稱電壓為 3.7V，充電截止電壓為 4.2V，磷酸鐵鋰電池標(biāo)稱電壓為 3.2V，充電截止電壓為 3.6V，容量通常為 1200mAh-3350mAh，常見容量是 2200mAh-2600mAh。這種電池的表現(xiàn)為容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流放電、電化學(xué)性能穩(wěn)定、使用安全、工作溫度范圍寬、對(duì)環(huán)境友好。
最早的圓柱形鋰電池是由日本 SONY 公司于 1992 年發(fā)明的 18650 鋰電池，因?yàn)?18650 圓柱型鋰電池的歷史相當(dāng)悠久，所以市場(chǎng)的普及率非常高，一個(gè)典型的圓柱形電池的結(jié)構(gòu)包括：正極蓋、安全閥、PTC 元件、電流切斷機(jī)構(gòu)、墊圈、正極、負(fù)極、隔離膜、殼體。圓柱型鋰電池采用相當(dāng)成熟的卷繞工藝，自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品傳品質(zhì)穩(wěn)定，成本相對(duì)較低。圓柱電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以比喻一個(gè)驢打滾、豆皮卷、千張卷盤踞在外殼之內(nèi)。
它還有諸多型號(hào)，比如常見的有 14650、17490、18650、21700、26650 等，以 18650 為例，18 指的是電芯直徑為 18mm，65 則為高度 65mm，0 則代表著其圓柱形狀，其他以此類推。廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能燈具、草坪燈具、后備能源、電動(dòng)工具、玩具模型上。
電池?cái)?shù)量過多成為電動(dòng)汽車面臨的棘手問題，為了滿足容量需求只能通過數(shù)量的大幅度增加來(lái)彌補(bǔ)，更大的數(shù)量對(duì)于 BMS 電池管理系統(tǒng)要求更高。拿特斯拉上 7000 節(jié) 18650 來(lái)說(shuō)，目前也只有特斯拉的 BMS 電池管理系統(tǒng)才能滿足如此數(shù)量的運(yùn)算要求，這也是國(guó)內(nèi)少有廠家用 18650 的原因之一。除此之外，由于圓柱電池在組合成電池組時(shí)需采用鋼殼，所以其重量相對(duì)較高，理論上圓柱電池 PACK 后的能量密度要比其他兩種電池低。
18650 換裝 21700 后電池能量密度提升近 20%，成本也明顯低于 18650，系統(tǒng)的成本預(yù)計(jì)下降 9％ 左右，系統(tǒng)的重量預(yù)計(jì)下降 10％ 左右，那么造更大的圓柱電池不就可以了？
這里需要知道一個(gè)小知識(shí)：電池容量每上升 10%，電池的循環(huán)壽命就會(huì)降低 20%，電池的循環(huán)壽命和單體的電壓有關(guān)系。根據(jù)最新的測(cè)試，18650 電芯和 21700 電芯的充電電壓峰值是 4.2V，而一般的方塊電芯是 3.9V 左右。電池的充電電壓每降低 0.10V，它的循環(huán)充電壽命可以增加一倍。按照目前 18650 和 21700 電芯，它的單體循環(huán)次數(shù)是 300-500 次，而方塊電芯則更長(zhǎng)，磷酸鐵鋰的電池充電電壓是在 3.6V-3.8V，超級(jí)磷酸鐵鋰電芯的工作電壓能到 3.9V，所有的電芯，它并不是因?yàn)殚L(zhǎng)相去決定它的循環(huán)壽命次數(shù)，而是它的本體支持的電壓。隨著電池容量上升，充放電倍率就會(huì)下降 30%-40%，電芯溫度會(huì)上升 20%，所以這意味著需要更強(qiáng)的 BMS 電池管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)電池進(jìn)行有效控制。
方形電池：當(dāng)下折中的解決方案
優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、內(nèi)阻小、壽命長(zhǎng)、空間利用率高
缺點(diǎn)：生產(chǎn)工藝難統(tǒng)一、散熱難度高
方形電池是目前國(guó)際領(lǐng)域應(yīng)用面最廣的電池 PACK 形式，國(guó)內(nèi)目前主流的蔚來(lái)、吉利等一系列新能源車企均采用方形電池。這種電池應(yīng)用面廣的最主要原因之一就是其供應(yīng)商多且技術(shù)難度相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電池供應(yīng)商均選擇研發(fā)方形電池，比如耳熟能詳?shù)膶幍聲r(shí)代主要提供的就是方形電池。
方形鋰電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池廠商多采用電池能量密度較高的鋁殼方形電池為主，因?yàn)榉叫坞姵氐慕Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不像圓柱電池采用強(qiáng)度較高的不銹鋼作為殼體及具有防爆安全閥的等附件，所以整體附件重量相比圓柱型電池更輕，方形電池的能量密度理論上比圓柱電池的能量密度要更高。其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、忍受機(jī)械載荷能力好，電池內(nèi)阻小，壽命長(zhǎng)、組成后的能量密度下降小，空間利用率高。
蔚來(lái)汽車模塊化靈活裁剪電池容量專利申報(bào)圖
方型電池有采用卷繞和疊片兩種不同的工藝，雖說(shuō)技術(shù)難度相對(duì)不高但也存在諸多技術(shù)上的不穩(wěn)定因素影響電池品質(zhì)。圓柱鋰電池工藝非常成熟，極片公有二次分切缺陷機(jī)率低，且卷繞工藝成熟度及自動(dòng)化程度更高，疊片工藝目前還在采用半手工方式。方形電池易產(chǎn)生極耳虛焊影響電池品質(zhì)，邊角處化學(xué)活性能較差，長(zhǎng)期使用電池性能下降較明顯。電動(dòng)汽車采用的方形電芯也各有不同，方形電池因?yàn)橐獞?yīng)對(duì)不同空間的利用，就要根據(jù)不同的需求進(jìn)行定制化生產(chǎn)。但靈活性高的背后是標(biāo)準(zhǔn)化程度低，工藝很難達(dá)到統(tǒng)一，散熱難度較大。
在新能源研發(fā)初期，德國(guó)車企死守一條基本的底線不放，一切都要為安全讓路。2009 年，寶馬推出搭載三星 SDI 方形電池的純電動(dòng)汽車 Megacity（i3 的原型），之后 i3 在全球范圍內(nèi)受到歡迎，至此三星 SDI 才得以打開市場(chǎng)。
軟包電池：看看自己的手機(jī)電池就能理解
優(yōu)點(diǎn)：能量密度極高、重量輕
缺點(diǎn)：需要額外防護(hù)防止電池受損和熱失控
軟包電池雖然在汽車市場(chǎng)上應(yīng)用的并不多，但我們對(duì)它并不陌生。我們的手機(jī)基本上采用的都是“軟包電池”，但是在 3C 數(shù)碼上，我們統(tǒng)稱不叫軟包電池，叫做：聚合物電池。軟包電池的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)幾乎相生相隨，因?yàn)檐洶姵氐男螤钍庆`活設(shè)計(jì)的（根據(jù)客戶的需求定制，電芯也是重新制作的），所以統(tǒng)一型號(hào)的現(xiàn)有軟包電池?cái)?shù)量太少，另外研發(fā)一套新的軟包電池組成本也挺高的。
軟包鋰電池是液態(tài)鋰離子電池套上一層聚合物外殼，與其他電池最大的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復(fù)合膜)，這也是軟包鋰電池中最關(guān)鍵、技術(shù)難度最高的材料，這也是國(guó)內(nèi)電池廠商遲遲沒有大幅度推廣軟包電池的原因之一。由于鋁塑膜在輕量化上相對(duì)鋼殼和鋁殼存在絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，軟包電池的重量較同等容量的鋼殼電池要輕 40%，比鋁殼電池輕 20%，因此軟包電池在比能量上有著先天的優(yōu)勢(shì)。軟包電池較同等規(guī)格尺寸的鋼殼電池容量高 10-15%，較鋁殼電池高 5-10%，能量密度上占了很大便宜。
軟包電池采用了疊加的制造方式，在體積上相比于其他兩類電池更加纖薄，所以它的能量密度在理論上是三種電池中最高的，軟包電池可根據(jù)客戶需求定制外形，可以做更薄，普通鋁殼只能做到 4mm，軟包可以做到 0.5mm，在電池布局的靈活性上要比另外兩類電池更好。
軟包電池與方形、圓柱電池的外殼材料不同，決定了其封裝方式也不同。軟包電芯采用的是熱封裝，而金屬外殼電池一般采用焊接(激光焊)進(jìn)行密封。如果實(shí)在很難理解可以把軟包電池看作是千層蛋糕。
軟包電池采用熱封裝的原因是其使用了鋁塑包裝膜材料，通常分為三層，即外阻層(一般為尼龍 BOPA 或 PET 構(gòu)成的外層保護(hù)層)、阻透層(中間層鋁箔)和內(nèi)層(多功能高阻隔層)。
鋁塑復(fù)合膜外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
軟包鋰離子電芯主要包括：鋁塑膜成型、頂封與側(cè)封、注液與預(yù)封、化成與整形、排氣與二封、裁邊與折邊。
但由于軟包電池內(nèi)部為疊加式設(shè)計(jì)，需要在每?jī)善姵刂虚g加上一層薄片，薄片中會(huì)充滿液體，通過加熱或制冷從而保證電池處于最適宜的工作溫度，這也意味著軟包電池需要更加復(fù)雜的電池控制系統(tǒng)。目前奧迪 e-tron、奔馳 EQC、別克 VELITE 6、領(lǐng)克插混版等車型使用的都是軟包電池。
以別克 VELITE 6 為例，每?jī)善洶姵亟M成一個(gè) MINI 堆垛單元的基礎(chǔ)。通過流水線焊接在一起。電芯與電芯之間由鋁制冷卻片隔開，冷卻液通過注水口注入，填充冷卻片上的“毛細(xì)管”，循環(huán)流動(dòng)并帶走熱量。此外，也可以通過線圈加熱冷卻液，使電池升溫，即使在極端寒冷環(huán)境下，確保電池處于最適宜的工作溫度。兩個(gè)軟包電池、一片“毛細(xì)管”冷卻片，再加上一個(gè)模組框架和一片隔熱泡棉，就組成了一個(gè)完整的“MINI 堆垛單元”。而一個(gè)電池模塊總成由26個(gè)“MINI堆垛單元”組成。
三種電池結(jié)構(gòu)的派系之爭(zhēng)
鋰離子電池，經(jīng)過或卷繞或疊加這兩種不同的結(jié)構(gòu)工藝完成內(nèi)部組織的生產(chǎn)之后，在外殼封裝的材質(zhì)和形狀上走了三條不同道路：圓柱、方形和軟包。雖然本質(zhì)上三種路線的電化學(xué)原理都一樣，材料組成也基本相同，但就是這不同的封裝形式和形狀特征，決定了三種電池和背后生產(chǎn)廠商迥然的命運(yùn)。
方形電池生產(chǎn)企業(yè)前三名是寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科；軟包電池生產(chǎn)企業(yè)前三名是孚能科技、國(guó)能電池、卡耐新能源；圓柱電池生產(chǎn)企業(yè)前三名是比克電池、力神、國(guó)軒高科。
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，方形鋁殼占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，主要原因?yàn)?CATL 和比亞迪等龍頭企業(yè)的頭部效應(yīng)；國(guó)內(nèi)的圓柱和軟包電池企業(yè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，這些二線企業(yè)的諸多技術(shù)與非技術(shù)問題，導(dǎo)致其裝機(jī)量較少，更加劇了方形鋁殼裝機(jī)量一枝獨(dú)秀的局面?？傮w來(lái)看，2019 年車用電芯裝機(jī)量總計(jì)約 62.2GWh，方形鋁殼電芯裝機(jī)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，裝機(jī)量高達(dá) 52.6GWh，占比約 85%，是軟包的 10 倍，是圓柱的 13 倍。
半路殺出個(gè)“刀片電池”
電動(dòng)汽車上的電池包由電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝電池包（Pack）里，形成了“電芯-模組-電池包”的三級(jí)裝配模式。而 CTP，即Cell to PACK，是電芯直接集成為電池包，從而省去了中間模組環(huán)節(jié)。CTP 電池技術(shù)可以簡(jiǎn)單的概括為，將電芯的模組去除，直接固定在動(dòng)力電池總成內(nèi)部，而關(guān)聯(lián)的高壓線纜、通訊線纜、冷卻/預(yù)熱循環(huán)管路、BMS 監(jiān)測(cè)模塊、溫度傳感器、電流傳感器等設(shè)備，都要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)或重新布設(shè)。
目前 CTP 有兩種技術(shù)路線，一是采用完全無(wú)模組方式，二是以大模組替代小模組的方式。近期呼聲超高的比亞迪刀片電池就是完全無(wú)模組技術(shù)方案的代表。由比亞迪開發(fā)的長(zhǎng)度大于 0.6 米的大電芯，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”一樣插入到電池包里面，這也是大家將其稱之為刀片電池的原因。由于去除模組，電芯直接固定在動(dòng)力電池總成內(nèi)部，就要進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)才能滿足被動(dòng)安全的標(biāo)定需求。也正是因?yàn)槿コ四＝M，動(dòng)力電池總成的自重將會(huì)不同程度的降低，相應(yīng)的提升動(dòng)力電池總成的能量密度同時(shí)，可以獲得更好的電芯散熱/預(yù)熱設(shè)定，在復(fù)雜工況充放電模式下電芯溫度差可以控制在 1℃。
比亞迪“刀片電池”專利
據(jù)悉，比亞迪計(jì)劃在明年中旬推出全新一代磷酸鐵鋰電池，體積比能量增加 50%，成本下降 30%，續(xù)航里程達(dá)到 600km，該電池就會(huì)采用 CTP 方式。而另外一種實(shí)現(xiàn)方式是以大模組替代之前小模組，并不是完全取消模組，而是把之前的小模組去掉側(cè)板，用扎帶連接起來(lái)，把模組做大，代表企業(yè)有特斯拉、寧德時(shí)代、蜂巢能源等。如下圖為特斯拉 Model 3 電池包內(nèi)部拆解圖，可見 Model 3 是由四個(gè)長(zhǎng)度約 2 米的大模組組成，而之前特斯拉 Model S 的模組為 16 個(gè)。
CTP 不是萬(wàn)能的，為什么電池技術(shù)發(fā)展了 20 多年，到今天才用上 CTP？這個(gè)要?dú)w根到鎳材料的發(fā)展，目前鎳是稀缺資源，非常昂貴的一種物質(zhì)材料。我們俗稱的 NCA NCM，N 就是鎳，無(wú)論是 NCA 還是 NCM ，鎳的比重大概是在 80% 左右，泛指 NCM811。在高鎳的環(huán)境下，電池的一致性非常差。以之前 CMP 模組化架構(gòu)來(lái)說(shuō)，就是為了杜絕 CTP 之后電芯與電芯之間發(fā)生的摩擦，產(chǎn)生膨脹、變形、熱失控所波及到整個(gè)電池組?，F(xiàn)在所采用的 CTP 其實(shí)嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，它單體外壁還是有一層薄膜保護(hù)體，無(wú)論是比亞迪、寧德時(shí)代、蜂巢能源，都是采用這樣的結(jié)構(gòu)。
目前采用 CTP 結(jié)構(gòu)的，只有特斯拉。一直以來(lái)，電池廠都是在吐槽特斯拉，一顆電芯出問題就波及到其它電芯，說(shuō)的就是 CTP 這個(gè)痛點(diǎn)。作為一名普通消費(fèi)者，最多也只能了解到 CTP 所帶來(lái)的優(yōu)缺點(diǎn)，其實(shí)，這背后本質(zhì)上是電池廠商和車企的博弈。如今電池廠商做模組并非強(qiáng)贏利點(diǎn)，并且大多數(shù)車企自己可以做模組，例如華晨寶馬、北京奔馳、通用汽車等，反而做 PACK 才是可行的出路。而電池廠商只有轉(zhuǎn)變?yōu)?CTP 方案，之后才有機(jī)會(huì)去做整個(gè)PACK，CTP 因此也被打包和宣傳為動(dòng)力電池的下一個(gè)風(fēng)口。
編輯總結(jié)
隨著電池不斷發(fā)展，軟包電池在新能源汽車市場(chǎng)的滲透率將持續(xù)提升，當(dāng)方形電池技術(shù)逐漸接近瓶頸期時(shí)，更有挖掘潛力和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的軟包電池就會(huì)成為替代者，而對(duì)目前準(zhǔn)備購(gòu)買新能源汽車的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，電池品質(zhì)仍然是購(gòu)車前需要考慮的重要一項(xiàng)，目前階段來(lái)看各種形式的電池都可選擇并沒有絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，圓柱形電池技術(shù)成熟可靠性較高，方形電池則處于居中位置，軟包電池則屬于技術(shù)最為先進(jìn)的梯隊(duì)但對(duì)工藝的要求也相對(duì)較高因此可靠性上畫了一個(gè)問號(hào)。
