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電池知识

電池會因为形狀不同而發生怎樣的區别?圓柱/方形/軟包动力電池 誰會是技術趨勢?

来源:未知    2019-03-27 15:11    點擊量:

动力電池與儲能電池是目前電池技術應用的兩大場景,儲能電池對應着太陽能等設備,动力電池則對應着新能源汽車。而曾经以日韓企业为首的電池技術企业,很早以前就将动力電池的封裝種類歸为了三大形式:圓柱形、方形以及軟包,直觀上它們的不同點隻在于形狀上,但同時它們在技術開發和應用角度上也有着不同,那麼小小的電池會因为形狀不同而發生怎樣的區别?这就是我們本期的主要内容。

 

日本SONY公司在1992年發明了18650股票配资世界,其也成为目前最常見的圓柱形電池設計,例如5号、7号堿性電池都是采用这種形狀設計。而在之後的時間里,由于電池的應用場景變多,以三星SDI为首的方形電池和LG華为为首的軟包電池設計也進入市場,目前三類技術也均在新能源汽車産品中進行應用。

 

對于在新能源汽車,三類電池目前市場格局也比較穩定,沒有最好隻有更好,不同國家不同車企對于三類電池技術的認可度也不同。今天的内容中和大家聊聊,反饋到我們實際應用層面,这三類不同形狀的電池到底有何區别。

 

變标不變本,形狀無論如何變也要遵循基本原理

 

因为制造封裝的方式不同,三類電池在形狀上有明顯的區别。但與電池本身的工作原理不存在影響,制造方式主要針對的是不同的工況标準,設備應用以及更多樣性的舉一個不是很嚴謹的例子,就像是蛋糕被做成了不同的形狀,但原料烘焙發酵的原理都是一樣的。簡單来講,锂離子在電解液中由負極到正極,完成一次放電,再由正極回到負極,完成一次充電。所以三種不同形狀的電池設計,都會遵守電池本身的技術原理,但由于形狀的不同,在制造成型上分成了卷繞和疊加兩種不同的工藝。

 

圓柱形電池

 

所有三種形狀的電池将通過圓柱卷繞、方形卷繞以及方形疊加最終變成了圓柱、方形以及軟包電池。但目前在制造标準上隻有圓柱形電池擁有一致性,例如我們熟知的圓柱形電池,分为了14650、18650、21700等型号,很多人都認为这是一種電池類型,但其隻是代表了圓柱形電池的尺寸标準。以18650型为例,其是目前最为成熟的圓柱形電池标準,而21700型正在通過不斷的技術進步,有可能在接下来取代18650型成新能源汽車的首選圓柱形電池産品。

 

方形電池

 

而方形電池的可塑性會更強一些,可以根據搭載産品的具體需求而進行定制化的設計。所以導致了大小不一,目前無論制造工藝或者應用标準,并沒有圓柱形電池那樣清晰的标準劃分。但也正因为其靈活性高,曾经長時間的應用在早期的新能源汽車中,車企可以根據車型需求而對方形電池尺寸進行定制化設計,而不用受到圓柱形電池标準的限制。方形電池也曾经被認为是最适合新能源汽車應用的電池設計。目前方形電池在很多車型上都采用了,比如寶馬的i系列車型,榮威ERX5,蔚来的ES8以及未来将上市的車和家的增程式SUV。

 

方軟包電池

 

 軟包電池則因为采用了疊加的制造方式,所以追求的是更加纖薄的體積,在同容量密度下重量也是最輕的。

 

同樣,軟包電池也可以根據應用需求進行定制,小到我們手機電池的大小,大到應用在新能源汽車上。軟包電池也一直被业内作为移动設備上的首選,但在汽車應用上,也因为其體積的可控性同樣被汽車品牌所看重,尤其針對插電式混合动力車,在兼顧整車布局和重量時,軟包電池體積优勢更加明顯。目前通用旗下别克的VELITE 5/VELITE 5、凱迪拉克CT6插電、XT5混动版車型、日産的軒逸純電都采用的是軟包電池。

 

點評:三類電池設計各自以“換湯不換藥”的方式在市場中分得一席之地,從設計的角度上三者沒有絕對的好與壞。但最为成熟的圓柱形電池因为擁有了固定的全球标準,從制造到應用上,整套流程的嚴謹性會更高,電池企业根據标準造電池,而車企也根據标準来設計應用,擁有很強的一致性。

 

 中國在方形電池技術上曾試圖以歐洲地區的VDA标準作为模闆,但引用的企业并不多,最早選擇使用方形電池的車企,也在逐漸更換为圓柱形電池,就是为了确保産品安全标準的一致性。

 

方形以及軟包電池的突出优勢就是可定制化,也因此出現了标準不一、工藝不一,車企與電池供應商必須在設計與工藝要求上达成嚴格一致,顯然對雙方都有了更高的研發成本付出。目前車企對于这三類電池都有自己的喜好和看法,會選擇自己更認可的類型而進行産品研發,畢竟用户關心的是車輛續航表現以及更好的配重與布局,不存在對電池形狀的喜好。下面我們再来聊聊,在不同形狀下,三種電池設計在能量密度以及安全性上,各自又有什麼樣的优勢呢?

 

下個十年,誰會是技術趨勢?

 

在追求能量密度和體積重量上,如何分出勝負?

 

三類電池設計在外形不同的基礎上,也擁有了各自的特性,三者能夠通過外殼用料以及内部設計對單體電池的能量密度、安全性以及重量造成影響。我們再拿蛋糕来舉個例子,餡料代表了單體電池的能量密度,而面粉代表了外殼包裝材料選擇。

 

不鏽鋼外殼曾经一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料,因工藝标準要求的不同,更輕的鋁制外殼在方形電池上快速推廣,也在重量上形成了优勢。而軟包電池且因追求更加纖薄的工藝,采用了比鋁外殼重量更輕的鋁塑膜包裝,其纖薄的程度你甚至可以用手感覺到内部液态電池的流动。

 

 外殼用料的不同除了直接對單體電池重量有影響以外,對電池的安全、發熱等環節来講也有影響,畢竟最終一個個的單體電池要封裝成組後放到車内。鋼殼最硬也最重,它需要兼顧到安全工藝難度也相對低一些,而鋁膜外殼最軟最輕,在單體制造以及封裝成組時,兼顧到的散熱和碰撞安全也要求更高。而方形電池會根據對外殼材料選擇的不同,存在同樣的优劣勢。

 

不要小瞧單體電池重量这件事,这對于最終封包成組放到車内将有多層面的影響。更輕的電池組能讓整體車重更低,從而也为車企提供了更多的布局方法。随着技術的進步,越輕的單體電池在兼顧能量密度上的空間也越大。例如車輛在設計時限制隻能裝載一套300公斤的電池組,顯然單體越輕,整個電池組的能量也就越高。

 

而使用鋼殼的圓柱以及方形電池,在安裝到車身上時控制配重的方案就比較單一。例如目前主流采用圓柱形電池組的新能源車,電池組的布局都在車身的正下方,这樣才能保證即便重一些也不會影響整車的前後配重,但對車輛的離地間隙和車廂内的地台高度都會有影響。而有一些插電式混合动力車,會把圓柱形電池組放在後備廂下方,通過與車頭發动機的重量進行配比,来均衡整車的配重,但結果就是後備廂的空間會變的很小。

 

電池形狀不同,在封裝成組的安全性和散熱等問題上,三類電池也出現了不同的优劣勢。圓柱形電池雖然重且能量密度低,但在封包時圓柱與圓柱之間形成了很好的散熱空間,而方形則不同,如果不留縫隙緊緊的排列在一起,除了散熱是問題之外,單體與單體之間的安全性也難以保障。

 

而軟包電池在封裝上會更加複雜,要安全、要保證散熱,還要不損失軟包本身纖薄體積的优勢,可想而知在封裝成組環節上有多複雜。很多車企會慎重考慮三類電池設計在封裝環節的成本投入,目前来講,依靠工藝難度和成本更低的圓柱形電池是現階段的好選擇。

 

點評:簡單来講,如果方形電池也擁有和圓柱型電池一樣的行业标準,那麼兩者在應用上的优劣勢基本也在同一水平線上。但軟包電池因为設計靈活性則更強,且兼具了重量低、能量密度高等更明顯的优勢,在未来會成为更多車企首選的電池類型。但反之對于制造工藝的要求也要明顯高于前兩者,生産、封裝中額外的成本和技術要求,都變相加大了新能源汽車的終端售价。所以軟包電池極端的优劣勢也讓一些車企望而卻步,目前采用軟包電池的新能源車型比例也是最少的。說白了,在成本面前,更多企业還是選擇了向其它兩者妥協。

 

另外,單體電池類型隻是車企在選擇研發方向的角度之一,封裝技術也是尤为關鍵的環節。目前一線的新能源車企都擁有自己的電池實验室,他們在供應商提供的電池原型基礎上做二次研發,最後再把研究方案反推給供應商,兩者一起敲定所需的電池方案。然後再由自己或者供應商完成封裝的工作,最後一步经過缜密的配重布局完成裝車。過程中所有環節都存在利弊權衡,也是反推回車企到底會選擇哪一類電池類型的關鍵。      

 

拉近甚至反超,中國電池企业與車企的合作共赢

 

 從單體電池到車輛應用,車企與電池企业之間有着密切的合作關系。例如圓柱形電池的應用上,松下與特斯拉保持了多年的技術同盟,美國通用汽車也與LG化学在軟包電池技術上达成技術共识。在此之前,三星SDI也與寶馬在方形電池上也有大量的技術合作。

 

 電池供應商来決定了可靠的電池基礎工藝,車企的二次研發決定了電池應用到車輛上最終續航、配重以及安全这三大主要問題上的表現。三類電池的核心技術曾经長時間的被日韓企业所掌握,也成为了之前新能源車企首選的電池供應商。而近兩年,中國電池以及新能源車企與國外相比,不但在電池技術與應用層面有了大幅度的拉近,且在産能、品控以及實際應用表現等層面都有更多話語權,國外車企選擇中國電池企业作为首選供應商已经成为常态。

 

到2018年,中國電池企业已经具備了圓柱、方形以及軟包電池制造的全面技術能力,并且在三類電池的單體能量密度上也有十足進步。近幾年中,中國電池企业也從圓柱、方形電池向軟包電池技術過渡,以甯德時代、力神、國軒高科为首的幾家企业正在選擇采用軟包電池技術路線。

 

同時,随着國内新能源汽車補貼标準對電池能量密度提出了更高要求,軟包技術成为了電池實現輕量化和高密度化的重要手段,今年年初甯德時代、力神、國軒高科三家承擔新型锂離子动力電池項目的企业,均選擇了軟包電池技術路線,單體電芯能量密度均达到300Wh/kg。但其對高制造工藝的要求,也要求着相關後市場技術的提高,例如外包裝鋁塑膜的工藝和産能,高精密度的疊片、電解液注射和封裝設備技術。

 

但在通往軟包電池的技術之路上,仍有很多現實問題。首先是鋁塑膜技術成本高、國産技術水平有限,尤其是在疊片技術工藝上的把控,要求要比卷繞要求更高,品控問題會直接影響電池壽命以及安全問題。想保持産能和品控的同步增長,電池企业與車企間的同心協力更为關鍵。

 

總結:在新能源爆發前,都有可能成为趨勢

 

幾年前,中國新能源汽車的动力電池以磷酸鐵锂方形電池为主,因为當時中國企业自有的圓柱型電池技術以及成本控制能力相比海外并不突出。而在車企角度,可定制化的方形電池更利于快速研發和設計新能源車型。現在来看,为了更快的拿出成績,當時電池和汽車企业将方形電池作为了過渡性技術,而當前,圓柱形三元股票配资世界已经成为了新的主流。

 

但这并不代表誰将會成为最終的技術代表,圓柱、方形以及軟包電池目前對于市場而言都具有各自的獨特价值,誰能成为新的趨勢也同樣會受到車型研發速度的影響。而對于我們而言,它們各自的优勢能否被車企最終在産品力上最大化的展現出来,才是真正值得我們關心的問題。白貓黑貓,能抓老鼠的都是好貓,軟包圓柱,跑的遠的都是好電池。