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电池知识

电池会因为形状不同而发生怎样的区别?圆柱/方形/软包动力电池 谁会是技术趋势?

来源:未知    2019-03-27 15:11    点击量:

动力电池与储能电池是目前电池技术应用的两大场景,储能电池对应着太阳能等设备,动力电池则对应着新能源汽车。而曾经以日韩企业为首的电池技术企业,很早以前就将动力电池的封装种类归为了三大形式:圆柱形、方形以及软包,直观上它们的不同点只在于形状上,但同时它们在技术开发和应用角度上也有着不同,那么小小的电池会因为形状不同而发生怎样的区别?这就是我们本期的主要内容。

 

日本SONY公司在1992年发明了18650锂电池,其也成为目前最常见的圆柱形电池设计,例如5号、7号碱性电池都是采用这种形状设计。而在之后的时间里,由于电池的应用场景变多,以三星SDI为首的方形电池和LG华为为首的软包电池设计也进入市场,目前三类技术也均在新能源汽车产品中进行应用。

 

对于在新能源汽车,三类电池目前市场格局也比较稳定,没有最好只有更好,不同国家不同车企对于三类电池技术的认可度也不同。今天的内容中和大家聊聊,反馈到我们实际应用层面,这三类不同形状的电池到底有何区别。

 

变标不变本,形状无论如何变也要遵循基本原理

 

因为制造封装的方式不同,三类电池在形状上有明显的区别。但与电池本身的工作原理不存在影响,制造方式主要针对的是不同的工况标准,设备应用以及更多样性的举一个不是很严谨的例子,就像是蛋糕被做成了不同的形状,但原料烘焙发酵的原理都是一样的。简单来讲,锂离子在电解液中由负极到正极,完成一次放电,再由正极回到负极,完成一次充电。所以三种不同形状的电池设计,都会遵守电池本身的技术原理,但由于形状的不同,在制造成型上分成了卷绕和叠加两种不同的工艺。

 

圆柱形电池

 

所有三种形状的电池将通过圆柱卷绕、方形卷绕以及方形叠加最终变成了圆柱、方形以及软包电池。但目前在制造标准上只有圆柱形电池拥有一致性,例如我们熟知的圆柱形电池,分为了14650、18650、21700等型号,很多人都认为这是一种电池类型,但其只是代表了圆柱形电池的尺寸标准。以18650型为例,其是目前最为成熟的圆柱形电池标准,而21700型正在通过不断的技术进步,有可能在接下来取代18650型成新能源汽车的首选圆柱形电池产品。

 

方形电池

 

而方形电池的可塑性会更强一些,可以根据搭载产品的具体需求而进行定制化的设计。所以导致了大小不一,目前无论制造工艺或者应用标准,并没有圆柱形电池那样清晰的标准划分。但也正因为其灵活性高,曾经长时间的应用在早期的新能源汽车中,车企可以根据车型需求而对方形电池尺寸进行定制化设计,而不用受到圆柱形电池标准的限制。方形电池也曾经被认为是最适合新能源汽车应用的电池设计。目前方形电池在很多车型上都采用了,比如宝马的i系列车型,荣威ERX5,蔚来的ES8以及未来将上市的车和家的增程式SUV。

 

方软包电池

 

 软包电池则因为采用了叠加的制造方式,所以追求的是更加纤薄的体积,在同容量密度下重量也是最轻的。

 

同样,软包电池也可以根据应用需求进行定制,小到我们手机电池的大小,大到应用在新能源汽车上。软包电池也一直被业内作为移动设备上的首选,但在汽车应用上,也因为其体积的可控性同样被汽车品牌所看重,尤其针对插电式混合动力车,在兼顾整车布局和重量时,软包电池体积优势更加明显。目前通用旗下别克的VELITE 5/VELITE 5、凯迪拉克CT6插电、XT5混动版车型、日产的轩逸纯电都采用的是软包电池。

 

点评:三类电池设计各自以“换汤不换药”的方式在市场中分得一席之地,从设计的角度上三者没有绝对的好与坏。但最为成熟的圆柱形电池因为拥有了固定的全球标准,从制造到应用上,整套流程的严谨性会更高,电池企业根据标准造电池,而车企也根据标准来设计应用,拥有很强的一致性。

 

 中国在方形电池技术上曾试图以欧洲地区的VDA标准作为模板,但引用的企业并不多,最早选择使用方形电池的车企,也在逐渐更换为圆柱形电池,就是为了确保产品安全标准的一致性。

 

方形以及软包电池的突出优势就是可定制化,也因此出现了标准不一、工艺不一,车企与电池供应商必须在设计与工艺要求上达成严格一致,显然对双方都有了更高的研发成本付出。目前车企对于这三类电池都有自己的喜好和看法,会选择自己更认可的类型而进行产品研发,毕竟用户关心的是车辆续航表现以及更好的配重与布局,不存在对电池形状的喜好。下面我们再来聊聊,在不同形状下,三种电池设计在能量密度以及安全性上,各自又有什么样的优势呢?

 

下个十年,谁会是技术趋势?

 

在追求能量密度和体积重量上,如何分出胜负?

 

三类电池设计在外形不同的基础上,也拥有了各自的特性,三者能够通过外壳用料以及内部设计对单体电池的能量密度、安全性以及重量造成影响。我们再拿蛋糕来举个例子,馅料代表了单体电池的能量密度,而面粉代表了外壳包装材料选择。

 

不锈钢外壳曾经一直是圆柱形和方形电池的主要包装材料,因工艺标准要求的不同,更轻的铝制外壳在方形电池上快速推广,也在重量上形成了优势。而软包电池且因追求更加纤薄的工艺,采用了比铝外壳重量更轻的铝塑膜包装,其纤薄的程度你甚至可以用手感觉到内部液态电池的流动。

 

 外壳用料的不同除了直接对单体电池重量有影响以外,对电池的安全、发热等环节来讲也有影响,毕竟最终一个个的单体电池要封装成组后放到车内。钢壳最硬也最重,它需要兼顾到安全工艺难度也相对低一些,而铝膜外壳最软最轻,在单体制造以及封装成组时,兼顾到的散热和碰撞安全也要求更高。而方形电池会根据对外壳材料选择的不同,存在同样的优劣势。

 

不要小瞧单体电池重量这件事,这对于最终封包成组放到车内将有多层面的影响。更轻的电池组能让整体车重更低,从而也为车企提供了更多的布局方法。随着技术的进步,越轻的单体电池在兼顾能量密度上的空间也越大。例如车辆在设计时限制只能装载一套300公斤的电池组,显然单体越轻,整个电池组的能量也就越高。

 

而使用钢壳的圆柱以及方形电池,在安装到车身上时控制配重的方案就比较单一。例如目前主流采用圆柱形电池组的新能源车,电池组的布局都在车身的正下方,这样才能保证即便重一些也不会影响整车的前后配重,但对车辆的离地间隙和车厢内的地台高度都会有影响。而有一些插电式混合动力车,会把圆柱形电池组放在后备厢下方,通过与车头发动机的重量进行配比,来均衡整车的配重,但结果就是后备厢的空间会变的很小。

 

电池形状不同,在封装成组的安全性和散热等问题上,三类电池也出现了不同的优劣势。圆柱形电池虽然重且能量密度低,但在封包时圆柱与圆柱之间形成了很好的散热空间,而方形则不同,如果不留缝隙紧紧的排列在一起,除了散热是问题之外,单体与单体之间的安全性也难以保障。

 

而软包电池在封装上会更加复杂,要安全、要保证散热,还要不损失软包本身纤薄体积的优势,可想而知在封装成组环节上有多复杂。很多车企会慎重考虑三类电池设计在封装环节的成本投入,目前来讲,依靠工艺难度和成本更低的圆柱形电池是现阶段的好选择。

 

点评:简单来讲,如果方形电池也拥有和圆柱型电池一样的行业标准,那么两者在应用上的优劣势基本也在同一水平线上。但软包电池因为设计灵活性则更强,且兼具了重量低、能量密度高等更明显的优势,在未来会成为更多车企首选的电池类型。但反之对于制造工艺的要求也要明显高于前两者,生产、封装中额外的成本和技术要求,都变相加大了新能源汽车的终端售价。所以软包电池极端的优劣势也让一些车企望而却步,目前采用软包电池的新能源车型比例也是最少的。说白了,在成本面前,更多企业还是选择了向其它两者妥协。

 

另外,单体电池类型只是车企在选择研发方向的角度之一,封装技术也是尤为关键的环节。目前一线的新能源车企都拥有自己的电池实验室,他们在供应商提供的电池原型基础上做二次研发,最后再把研究方案反推给供应商,两者一起敲定所需的电池方案。然后再由自己或者供应商完成封装的工作,最后一步经过缜密的配重布局完成装车。过程中所有环节都存在利弊权衡,也是反推回车企到底会选择哪一类电池类型的关键。      

 

拉近甚至反超,中国电池企业与车企的合作共赢

 

 从单体电池到车辆应用,车企与电池企业之间有着密切的合作关系。例如圆柱形电池的应用上,松下与特斯拉保持了多年的技术同盟,美国通用汽车也与LG化学在软包电池技术上达成技术共识。在此之前,三星SDI也与宝马在方形电池上也有大量的技术合作。

 

 电池供应商来决定了可靠的电池基础工艺,车企的二次研发决定了电池应用到车辆上最终续航、配重以及安全这三大主要问题上的表现。三类电池的核心技术曾经长时间的被日韩企业所掌握,也成为了之前新能源车企首选的电池供应商。而近两年,中国电池以及新能源车企与国外相比,不但在电池技术与应用层面有了大幅度的拉近,且在产能、品控以及实际应用表现等层面都有更多话语权,国外车企选择中国电池企业作为首选供应商已经成为常态。

 

到2018年,中国电池企业已经具备了圆柱、方形以及软包电池制造的全面技术能力,并且在三类电池的单体能量密度上也有十足进步。近几年中,中国电池企业也从圆柱、方形电池向软包电池技术过渡,以宁德时代、力神、国轩高科为首的几家企业正在选择采用软包电池技术路线。

 

同时,随着国内新能源汽车补贴标准对电池能量密度提出了更高要求,软包技术成为了电池实现轻量化和高密度化的重要手段,今年年初宁德时代、力神、国轩高科三家承担新型锂离子动力电池项目的企业,均选择了软包电池技术路线,单体电芯能量密度均达到300Wh/kg。但其对高制造工艺的要求,也要求着相关后市场技术的提高,例如外包装铝塑膜的工艺和产能,高精密度的叠片、电解液注射和封装设备技术。

 

但在通往软包电池的技术之路上,仍有很多现实问题。首先是铝塑膜技术成本高、国产技术水平有限,尤其是在叠片技术工艺上的把控,要求要比卷绕要求更高,品控问题会直接影响电池寿命以及安全问题。想保持产能和品控的同步增长,电池企业与车企间的同心协力更为关键。

 

总结:在新能源爆发前,都有可能成为趋势

 

几年前,中国新能源汽车的动力电池以磷酸铁锂方形电池为主,因为当时中国企业自有的圆柱型电池技术以及成本控制能力相比海外并不突出。而在车企角度,可定制化的方形电池更利于快速研发和设计新能源车型。现在来看,为了更快的拿出成绩,当时电池和汽车企业将方形电池作为了过渡性技术,而当前,圆柱形三元锂电池已经成为了新的主流。

 

但这并不代表谁将会成为最终的技术代表,圆柱、方形以及软包电池目前对于市场而言都具有各自的独特价值,谁能成为新的趋势也同样会受到车型研发速度的影响。而对于我们而言,它们各自的优势能否被车企最终在产品力上最大化的展现出来,才是真正值得我们关心的问题。白猫黑猫,能抓老鼠的都是好猫,软包圆柱,跑的远的都是好电池。

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