從技術(shù)角度看圓柱型鋰電池21700

與軟包和方形鋰電池相比，18650圓柱形鋰電池，是商業(yè)化最早，生產(chǎn)自動(dòng)化程度最高，當(dāng)前成本最低的一種動(dòng)力電池。又有Tesla多年夾持，基本保持著與軟包和方形電池三分天下的局面。

從特斯拉宣布Model 3采用21700以后，圓柱電池家族也多出了一個(gè)明星成員。本文一起來看看圓柱電池相關(guān)的幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)。下文中不特殊聲明的，圓柱電池就特指18650 。

圓柱電池結(jié)構(gòu)

關(guān)注一下動(dòng)力電池就會(huì)發(fā)現(xiàn)，圓柱18560電池，是被研究的最多，技術(shù)討論最充分的電池品種。單體主要由正極，負(fù)極，隔膜，正極負(fù)極集電極，安全閥，過流保護(hù)裝置，絕緣件和殼體共同組成。殼體，早期鋼殼較多，當(dāng)前以鋁殼為主。其中安全閥、PTC如下圖所示。

單體過流保護(hù)裝置，每個(gè)廠家的設(shè)計(jì)并不相同，根據(jù)對(duì)安全性要求的不同，價(jià)格要去不同，可以進(jìn)行定制。一般的安全裝置主要有PTC正溫度系數(shù)電阻和熔斷裝置兩大類。

PTC，當(dāng)出現(xiàn)過大電流，電阻發(fā)熱，溫度積累更促進(jìn)PTC阻值的上升，當(dāng)溫度超過一個(gè)閾值以后，陡然增大，相當(dāng)于把故障電芯從總體回路中隔離開來，避免進(jìn)一步熱失控的發(fā)生。

熔斷裝置，原理上就是一個(gè)熔絲，遇到過大電流，熔絲熔斷，回路被斷開。

兩種保護(hù)裝置的區(qū)別在于前者可恢復(fù)，后者的保護(hù)是一次性的，一旦故障發(fā)生，系統(tǒng)必須認(rèn)為更換問題電芯才能正常工作。

圓柱電芯特點(diǎn)

圓柱電芯，尤其18650，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也由于其型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化，圓柱電芯生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，在3種主要電芯形式中為最高。這就使得高度一致性成為可能，成品率相應(yīng)得到提高。有數(shù)據(jù)顯示，三星、松下等國外主要廠家良品率可以達(dá)到98%，而我國廠商也可以超過90%。

優(yōu)點(diǎn)

1)如前面所述，單體一致性較好;

2)單體自身力學(xué)性能好，與方形和軟包電池相比，封閉的圓柱體，近似尺寸下，可以獲得最高的彎曲強(qiáng)度;

3)技術(shù)成熟，成本低，但同時(shí)，成本優(yōu)化的空間也已經(jīng)消耗的差不多;

4)單體能量小，發(fā)生事故時(shí)，形式易于控制，但這一點(diǎn)也正在成為它被取代的理由(那句流行的話怎么講，成就你的也將毀滅你，殺不死你的也必將使你強(qiáng)大，物同此理啊)

缺點(diǎn)，1)在電動(dòng)汽車這個(gè)語境中，電池系統(tǒng)的圓柱單體數(shù)量都很大，這就使得電池系統(tǒng)復(fù)雜度大增，無論機(jī)構(gòu)還是管理系統(tǒng)，相對(duì)于其他兩類電池，系統(tǒng)級(jí)別的成本圓柱電池偏高;

2)在溫度環(huán)境不均勻條件下，大量電芯特性異化的概率上升，當(dāng)然，特斯拉之所以在設(shè)計(jì)之初選擇18650，相信只是個(gè)無奈之選，因?yàn)?0年前，能夠大批量生產(chǎn)的合格動(dòng)力電池，只有圓柱電池。而電池的安全和熱管理需求，反而是它強(qiáng)大電控系統(tǒng)的研發(fā)動(dòng)力。

3)能量密度的上升空間已經(jīng)很小，2016年的新聞，超威把單體容量做到4050mAh，電芯比能量306Wh/kg，此后沒有看到更高的記錄。在既定空間內(nèi)，只有死磕材料，公認(rèn)是一條難走的路。

Tesila的Model 3電池系統(tǒng)帶火了21700

特斯拉 Model 3 全面啟用21700三元鋰電池，開啟了一個(gè)圓柱電池提升容量的新階段。特斯拉 Model 3的21700型電池系統(tǒng)，能量密度在300Wh/kg左右，比原來Model S使用的18650電池能量密度提升20%以上，單體容量提升35%，系統(tǒng)成本降低9%左右。

21700相關(guān)廠家和車型

目前國際上能夠批量生產(chǎn)21700電池的企業(yè)屈指可數(shù)，除了松下和特斯拉聯(lián)合研發(fā)的21700電池量產(chǎn)外，先前三星SDI也曾展示相關(guān)21700產(chǎn)品，據(jù)了解該產(chǎn)品還沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)。

國內(nèi)21700廠家，新聞資料顯示著手21700的廠家有比克，力神，億緯鋰能，天鵬電源，遠(yuǎn)東福斯特，猛獅新能等。

隨著南京金龍和北汽的兩款產(chǎn)品公示，8月16日，國家工信部發(fā)布《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》(第299批)的車輛新產(chǎn)品公示。其中，由南京金龍客車制造有限公司和北汽(常州)汽車有限公司生產(chǎn)的兩款純電動(dòng)廂式運(yùn)輸車(型號(hào)為NJL5040XXYBEV25和BJ5040XXYCJ06EV)，率先搭載了21700三元鋰離子電池。

從18650到21700，怎么看待升容這件事?

自從網(wǎng)上看到這幅圖，就總想找機(jī)會(huì)把它放到文章里，原因無他，圖中關(guān)于提升比能量的總結(jié)可以說很全面了。沿著圖中的思路，如果從化學(xué)方法提高電芯比能量，18650前途并不光明。

18650鋰離子電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，面對(duì)當(dāng)前人們不斷提高比能量的現(xiàn)狀，如果維持外形尺寸不變，又要提高能量密度，18650面臨諸多挑戰(zhàn)：

1)新材料如NCA、硅碳等新材料供應(yīng)鏈尚不成熟，成本高，供應(yīng)難以穩(wěn)定，比如更高能量密度的材料811，本身穩(wěn)定性和制程控制距離量產(chǎn)有段差距，結(jié)果就是短期內(nèi)811的18650貴很多，性能卻差不少;

2)新材料制程對(duì)環(huán)境要求高，固定資產(chǎn)投資高，能耗巨大;

3)單體電池容量低，PACK成組技術(shù)要求和成本偏高;

4)單體電芯最多適應(yīng)正單、負(fù)雙極耳結(jié)構(gòu)，而且對(duì)能量密度影響較為顯著;

5)高能量密度與高倍率充電同時(shí)要求時(shí)，設(shè)計(jì)空間很小，18650用523+石墨體系，按新國標(biāo)，1C做到2.4AH已到了設(shè)計(jì)的極限。

更大直徑圓柱鋰離子電池將成為必然趨勢(shì)，有數(shù)據(jù)如下圖所示，更大尺寸電芯與18650在極耳設(shè)計(jì)和卷繞曲率兩個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比，大尺寸電芯顯示出明顯優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)下來，尺寸從18650提高到21700，獲得好處如下：

1)適當(dāng)提高能量密度情況下，可以選擇常規(guī)材料，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高;

2)可以適當(dāng)進(jìn)行多極耳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低內(nèi)阻;

3)同樣能量密度下，可以選擇快充特性石墨，改善快充性能;

4)適當(dāng)增加直徑和高度可以獲得更多的有效體積。

5)單體電芯容量增大，輔助構(gòu)件比例降低，降低Pack成本。

而工信部新頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34013-2017 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》之中，把原來征求意見稿中只有18650和32650修改成了囊括21700在內(nèi)的4個(gè)規(guī)格，也算作21700的一個(gè)重大利好了。

提升容量的路徑與小單體等價(jià)于安全性高的早期觀點(diǎn)有沖突。