鋰離子電池是二次電池（可充電電池），依靠鋰離子在陰極和陽極之間移動(dòng)，也被稱為 “搖椅電池”。

在充電和放電過程中，鋰離子在兩個(gè)電極之間嵌入和脫嵌。充電時(shí)，鋰離子從陰極移出并通過電解質(zhì)嵌入陽極，而電解質(zhì)處于富鋰狀態(tài)，放電時(shí)則相反。

 

1.鋰離子電池的不同包裝形式： 圓柱形、軟包、棱柱形從組件角度看，鋰離子電池可分為正極、負(fù)極、電解液、隔膜、集液和整體包裝材料。包裝材料是指將鋰離子電池的所有部件包裹在一起的包裝。鋰離子電池包有不同的形式，圓柱形、軟包和棱柱形鋰電池被廣泛認(rèn)為是主要類別。

事實(shí)上，圓柱形、軟包和棱柱形鋰電池并沒有很大的區(qū)別。它們的內(nèi)部材料成分相似，但包裝不同。

 

 

金屬外殼材料（鋼或鋁）是棱柱形鋰電池和圓柱形鋰電池的主要包裝材料。軟包電池是使用鋁塑膜的三種電池路線之一（比亞迪的刀片電池使用棱形鋰電池電芯，但也使用鋁塑膜）。與圓柱形和棱柱形鋰電池組相比，軟包電池是較新的解決方案，技術(shù)成熟度較低，研發(fā)門檻較高。其核心差異在于成本、交付和技術(shù)迭代的空間。

 

2.電池組形式、電池性能和技術(shù)之間的關(guān)系
由于電池容量衰減與熱管理的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，新能源汽車巨頭特斯拉開發(fā)了世界領(lǐng)先的BMS技術(shù)，引領(lǐng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。在特斯拉的電動(dòng)汽車電池中，有數(shù)千個(gè)圓柱形的鋰離子電池組合在一起，在四輪汽車的底盤上顯得特別密集。

 

 

圓柱形鋰離子電池組分組后的比能量很低，我們來舉個(gè)例子。

Model 3的特斯拉電池：棱柱形鋰電池LFP版（280.4×82.3×62.8mm），1P106S，包電壓341.3V，重量密度125Wh/kg；圓柱形21700鋰電池NCM版，46P96S，包電壓355.2V，重量密度161Wh/kg；在同一輛功率為80kWh的車上，棱柱形鋰電池版為640kg，而圓柱版為497kg，重量差異顯著。

所以，圓柱形、軟包和棱柱形鋰電池的選擇顯然已經(jīng)受到了現(xiàn)有鋰電池技術(shù)的限制，改進(jìn)幅度有限。而產(chǎn)業(yè)鏈正在嘗試新的突破，通過優(yōu)化電芯尺寸，實(shí)現(xiàn)高度、長度、寬度三個(gè)方向的延伸，從而大幅提高體積利用率，這是一個(gè)大邏輯。

因此，與棱柱形鋰電池類型相比，圓柱體顯然在成本和工藝上更有突破性的挑戰(zhàn)。最主要的挑戰(zhàn)是圓柱體擴(kuò)大后的電極片焊接問題，以及活性物質(zhì)增加后出現(xiàn)漏液和鼓包的可能性。此外，受力不均增加了內(nèi)阻，最終增加了電池的不可逆容量，影響了電池的循環(huán)壽命。

 

3.棱柱形鋰電池與圓柱形和軟包電池的比較

棱柱形電池
普遍的共識(shí)是，棱柱形鋰電池可以根據(jù)其攜帶產(chǎn)品的具體需求進(jìn)行定制，可塑性更強(qiáng)。這也導(dǎo)致了市場上棱柱形鋰電池的包裝尺寸各不相同，這給后期處理帶來了困難，更不用說制造工藝或應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的明確劃分。

然而，汽車行業(yè)還處在一個(gè)新的起點(diǎn)上，電氣化帶來的是各個(gè)汽車品牌之間的橫向差異，這就為定制化提供了空間。在不同級(jí)別中，如A00、A0、A級(jí)車，電芯規(guī)格相對統(tǒng)一，體積不會(huì)太大，一般在NCM75Ah以內(nèi)。很多車企也認(rèn)為，棱柱形電芯具有較高的靈活性，可以根據(jù)車型的需要定制棱鏡鋰電池的尺寸，是最適合新能源汽車應(yīng)用的電池設(shè)計(jì)。

 

 

優(yōu)點(diǎn)：

從其他優(yōu)點(diǎn)來看，棱柱形鋰電池能量密度高，技術(shù)成熟，可塑性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗機(jī)械負(fù)荷能力好，電池內(nèi)阻小，使用壽命長，空間利用率高，成組后能量密度下降小。所以它仍然是動(dòng)力電池的主流，占總量的82%，主要用于乘用車。

劣勢：

此外，棱柱形電池片的缺點(diǎn)也很明顯。由于電極長度大，焊接點(diǎn)多，離子傳遞的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件差，體積利用率低，棱柱形鋰電池的比能量和體積密度存在上限。而采用軟包減重、CTP等結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，容易造成漏液和不可逆容量，最終使棱柱形鋰電池容易失效，并導(dǎo)致鋰枝晶堆積，容易起火。

 

圓柱形電池
圓柱形電池具有良好的散熱效果和成熟的生產(chǎn)工藝，是目前特斯拉電池所青睞的技術(shù)路線?？梢哉f，圓柱形電池是鋰電池的最佳實(shí)踐之一，也是一種標(biāo)準(zhǔn)化的通用產(chǎn)品。

18650 & 21700電池

18650電池是由日本SONY公司于1992年開發(fā)的。目前圓柱形電池可分為14650、18650、21700、32650、4680等型號(hào)，按電池的大小命名。18650是最成熟的電池，而21700則是近幾年來力推的新型特斯拉電池。21700的好處是減少了電池的數(shù)量，使電池的布局更加合理，單體圓柱形電池的體積更大，動(dòng)力更強(qiáng)。這樣一來，電池的數(shù)量可以大大減少，使得車輛在電池系統(tǒng)布局上更加得心應(yīng)手，性能也可以進(jìn)一步提高。

 

 

優(yōu)點(diǎn)：

因此，圓柱形電池在散熱方面有相當(dāng)大的優(yōu)勢，在包裝時(shí)電池與電池之間形成了良好的散熱空間，所以一些裝有圓柱形電池的車輛采用了低成本的空氣冷卻技術(shù)。另外，小圓柱形電池由于活性材料少，時(shí)間很短（焊接工藝成熟），所以活性點(diǎn)少，這樣一致性比較好，內(nèi)阻小，可以快速大規(guī)模生產(chǎn)。另外，離子遷移距離短，顆粒定向，離子遷移方向性強(qiáng)，使圓柱形電池具有更好的循環(huán)性能和倍率性能。

因?yàn)榛钚圆牧仙伲瑯O片短（焊接工藝成熟），圓柱形電池的活性點(diǎn)少，所以一致性好，內(nèi)阻小，可以快速大規(guī)模生產(chǎn)。另外，離子遷移距離短，顆粒定向，離子遷移方向性強(qiáng)，使圓柱形電池具有更好的循環(huán)性能和倍率性能。

缺點(diǎn)：

當(dāng)然，圓柱形電池也有其缺點(diǎn)。它不可避免地要面對大量單體電池帶來的可靠性控制問題。即使使用21700電池，也要把成千上萬的圓柱形電池放在一起形成電池組，這仍然是非常大的。

在電池的形狀上，圓柱形電池組大多只能采用矩形矩陣布局，并安裝在車輛的底盤上。這種方法比較單一，因?yàn)檫@樣可以保證電池不影響車輛的重量，但會(huì)影響車輛的離地間隙和車廂內(nèi)平臺(tái)的高度。然而，如果在混合動(dòng)力車型中使用圓柱形電池，它只能放在后備箱下面。雖然重量分布平衡了，但也犧牲了車廂空間，導(dǎo)致乘坐體驗(yàn)不佳。

 

軟包電池
目前，市場上有許多棱柱形鋰電池產(chǎn)品。雖然它們以棱形鋰電池為名，但其內(nèi)部性質(zhì)仍然是軟包電池（主要目的是減輕重量，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能量密度）。

優(yōu)點(diǎn)：

軟包電池的優(yōu)點(diǎn)是安全性好，因?yàn)樗茕X膜的外殼很堅(jiān)固，當(dāng)有熱反應(yīng)時(shí)，只會(huì)膨脹，不易爆炸。

因?yàn)椴捎昧藢訅褐圃旆椒?，鋁塑膜包裝比鋁殼輕，所以袋裝電池的體積更薄，能量密度最高。其容量比同尺寸的鋼殼電池高10-15%，比鋁殼電池高5-10%。目前，它是歐洲國家的主要技術(shù)路線。小軟軟包電池被認(rèn)為是解決電池壽命和安全問題的辦法，也是向固態(tài)電池過渡的橋梁。

 

 

軟包電池的形狀有更大的想象空間，它不限于矩形。它可以形成一個(gè)小的電池組，放在后備箱下面，也可以排列成T字形。因此，在考慮車輛的布局和重量時(shí)，軟包電池的優(yōu)勢更加明顯。但就目前而言，能做層壓的廠家非常少。

劣勢：

最大的問題是層壓工藝使得焊接公差大，不容易做大軟包，即使是大軟包，那么內(nèi)阻、壓降也是不可避免的。因此，雖然小軟包電池是最后的長電池技術(shù)，但很多中小電池企業(yè)只能做小軟包電池。軟包電池有一個(gè)技術(shù)門檻。

另外，在層壓技術(shù)的控制上也有很大難度。較高的難度對質(zhì)量控制是一個(gè)很大的考驗(yàn)。一旦質(zhì)量控制出現(xiàn)問題，電池壽命和安全性將直接受到影響。

小軟包在技術(shù)上有一定難度，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)一樣明顯。為了成本而增加體積，導(dǎo)致一致性差，這幾乎是不可能改變的。此外，如果軟包電池在傳熱不足（如絕熱或高溫）的內(nèi)部環(huán)境中運(yùn)行，電池的溫度會(huì)明顯上升（溫升），導(dǎo)致電池組內(nèi)部形成熱點(diǎn)，最終可能導(dǎo)致熱失控。因此，軟包電池需要一個(gè)更復(fù)雜的電池控制系統(tǒng)，這的確是一項(xiàng)技術(shù)工作。

軟包電池的外觀與其他兩種電池的外觀是一樣的。事實(shí)上，硬殼的內(nèi)部是一疊軟包電池，它們是垂直堆疊的，當(dāng)然，軟包電池制造商并不是簡單地把它們放在一起。每對電池之間都插入了一層冷卻劑。冷卻劑是通過注水口（熱成型）注入的，冷卻劑上的管道被填滿，循環(huán)起來，帶走熱量。此外，冷卻劑可以通過線圈加熱，以溫暖電池，確保電池在最佳溫度下運(yùn)行，即使在極度寒冷的情況下。

軟包電池的另一個(gè)問題是使用鋁膜（包括PET膜和膠水）。目前，鋁塑膜技術(shù)的成本很高，需要很高的技術(shù)水平。

 

軟包電池在汽車制造商中的應(yīng)用

由于能量密度較高、安全性好、內(nèi)阻小、設(shè)計(jì)更靈活，軟包鋰電池在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢廣泛，在全球汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)電動(dòng)車銷售數(shù)據(jù)顯示，2020年歐洲前20名新能源乘用車中，有15款配備了軟包動(dòng)力電池，占市場的75%。采用小軟包電池的車型非常多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用小軟包電池的車型有30多個(gè)。

 

4.動(dòng)力電池的特殊性
鋰離子電池，特別是車用鋰離子電池，面臨著非常復(fù)雜的過程。因此，從電芯產(chǎn)品開發(fā)到最后的包裝交付，都要遵循電芯設(shè)計(jì)–樣品A–樣品B–樣品C（D）–SOP的嚴(yán)格流程，并經(jīng)過穿刺、振動(dòng)、過充電、外部短路、加熱、熱板等試驗(yàn)，以及絕緣和高壓（2700V）試驗(yàn)。因此，鋼瓶、小袋和棱形鋰電池在裝車前都要經(jīng)過這些標(biāo)準(zhǔn)。

此外，電池組交到汽車公司后，汽車公司將終端產(chǎn)品賣給客戶，然后面臨巨大的難以想象的工作環(huán)境。在改用電池的車型初期，由于底盤較低，很容易造成刮擦、碰撞和不規(guī)范行駛。

油車的駕駛習(xí)慣顯然無法應(yīng)對電動(dòng)車的 “嬌氣”。因此，往往在宏觀上導(dǎo)致物理變化，進(jìn)而在微觀上導(dǎo)致化學(xué)變化，最后導(dǎo)致能量的失控（熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的惡化）。

 

5.主流動(dòng)力電池廠家的電池包形式：相對分散
從電池廠供應(yīng)的角度看，2020年排名前十的動(dòng)力電池企業(yè)，如LG化學(xué)、SKI、遠(yuǎn)景AESC等都是以軟包電池為主。

其他主流供應(yīng)商的重點(diǎn)布局仍是在圓柱和棱柱形鋰電池領(lǐng)域（棱柱形鋰電池包括：寧德時(shí)代、比亞迪、三星SDI；圓柱形電池包括： 松下），主流電池供應(yīng)商的解決方案相對分散。

主流電池廠商的封裝方案：

 

數(shù)據(jù)顯示，隨著全球電動(dòng)化趨勢的加快，在歐洲銷售的前20款車型中，有15款采用了軟包鋰電池，大眾、戴姆勒、奔馳、現(xiàn)代等國際車企都將軟包電池作為主流技術(shù)路線。

從中短期來看，軟包電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域的市場份額主要由歐美國家的新能源汽車銷售帶動(dòng)。

隨著各大汽車公司（尤其是歐洲汽車公司）對軟包電池解決方案的應(yīng)用越來越廣泛，中國廠商也開始布局軟包電池解決方案。孚能科技、捷成動(dòng)力和遠(yuǎn)景AESC都有積極的計(jì)劃來擴(kuò)大軟包電池的生產(chǎn)。專注于棱柱形鋰電池解決方案的寧德時(shí)代也開始擴(kuò)大軟包電池的生產(chǎn)。

 

6.圓柱形、軟包、棱柱形鋰電池，誰是最佳選擇？

● “對不起，我要的是標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，我可以把硬式和軟包結(jié)合起來。”–圓柱形電池說

●”進(jìn)入市場，遲早要面對各種情況，我是塑料的”–棱柱形鋰電池說。

●”技術(shù)永遠(yuǎn)是王道，你無法改變電池壽命和安全的痛點(diǎn)”–小軟包電池說

從結(jié)構(gòu)上看，棱柱形鋰電池在中國占有絕對優(yōu)勢，軟包和圓柱形電池的市場份額很小，比例維持在10%左右。而且棱柱形鋰電池的組別也很穩(wěn)定，能量密度高。它被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能（電網(wǎng)儲(chǔ)能和基站儲(chǔ)能）等領(lǐng)域。

圓柱形電池具有高倍率和高產(chǎn)量，常用于電動(dòng)移動(dòng)電源、充電寶、電動(dòng)工具、移動(dòng)車輛、輕型車輛、便攜式儲(chǔ)能等領(lǐng)域。軟包電池具有高彈性和高能量密度，可應(yīng)用于家用儲(chǔ)能、手機(jī)、電動(dòng)兩輪車、筆記本電腦等。

在基礎(chǔ)材料水平相同的情況下，不存在單一的制造能力（工程能力）和技術(shù)水平（包括集成能力），我們只需要滿足需求，不斷去進(jìn)步。圓柱形、軟包和棱柱形鋰電池各有優(yōu)勢，但車企不能只依賴一種技術(shù)路線。所以，真正決定電池技術(shù)未來的是對技術(shù)的需求和對產(chǎn)品的掌握之間的妥協(xié)，而這需要很長一段時(shí)間。

其實(shí)，在目前的市場上，圓柱形、軟包和棱柱形三種電池都被廠家采用，各占一席之地。

 

 

圓柱形電池發(fā)展時(shí)間長，所以在一致性上有很大優(yōu)勢（活性材料少，工藝成熟），而且其制造工藝比較成熟，規(guī)模化后成本低。然而，圓柱形電池在電池布局和能量密度方面還有進(jìn)一步的可能性。在棱柱形鋰電池或軟包電池方面，雖然它們在標(biāo)準(zhǔn)化和通用性方面難以與圓柱形電池相提并論，但其定制化的優(yōu)勢使其與電動(dòng)汽車更加兼容。特別是隨著越來越多的純平平臺(tái)車型，底盤技術(shù)越來越成熟，它們可以滿足不同廠家和不同車型的定制需求。

尤其是棱柱形鋰電池和小軟包電池，具有目前層壓工藝和大容量電池的性能和成本優(yōu)勢。因此，從單一技術(shù)入手，比如寧德時(shí)代從棱柱形鋰電池路線入手，最后多元化布局圓柱和軟包鋰電池。電池行業(yè)將隨著需求的變化而發(fā)展，甚至成為重要的戰(zhàn)略資源。電池價(jià)值鏈上有很多想象空間，當(dāng)然這也是相對的。