圓柱/方形/軟包動力電池為何有3種形狀

2025-02-14 19:50:02 作者：資訊小編

形狀變，內(nèi)在基本原理不變

本來這是一篇很無聊的技術(shù)文章，我們也想過你會不會對這些技術(shù)細節(jié)感興趣。但是我相信有人會對為什么電池必須做成三種形狀感興趣。同時，在未來新能源汽車的技術(shù)發(fā)展中，如何從電池中找到突破口，可以在這個問題中找到答案。

動力電池和儲能電池是目前電池技術(shù)應(yīng)用的兩大場景。儲能電池對應(yīng)太陽能等設(shè)備，動力電池對應(yīng)新能源汽車。曾經(jīng)以日韓公司為首的電池科技公司，很久以前就將動力電池的包裝類型分為三大類:圓柱形、方形和軟包。直觀來看，它們的差異只是形態(tài)上的，但同時在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面也有所不同。那么小電池由于形狀不同會怎么樣呢？這是我們本期的主要內(nèi)容。

日本索尼公司于1992年發(fā)明了18650鋰電池，成為目前最常見的圓柱電池設(shè)計。比如5號、7號堿性電池都采用這種形狀設(shè)計。后期由于電池的應(yīng)用場景較多，以三星SDI為首的方形電池和以LG華為為首的軟包電池也進入市場。目前，這三項技術(shù)也在新能源汽車產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

對于新能源汽車來說，目前三類電池的市場結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，沒有最好，只有更好。不同國家的不同車企對三類電池技術(shù)的認可度不同。前不久我參加了一個柔性電池的技術(shù)培訓(xùn)，所以我也想在今天的內(nèi)容中和大家聊聊，給大家反饋一下我們的實際應(yīng)用水平，這三種不同形狀的電池有什么區(qū)別？

●換標不換書，形狀無論如何變化都要遵循基本原則。

由于包裝方式的不同，三種電池的形狀明顯不同。但對電池本身的工作原理沒有影響。制造方法主要針對不同的工作條件、設(shè)備應(yīng)用和更多樣的例子，不是很嚴謹。就像蛋糕被做成不同的形狀，原料烘焙和發(fā)酵的原理是一樣的。

“方形電池鋰離子運動示意圖”

以上兩張圖展示了鋰電池本身的工作原理。簡單來說，鋰離子在電解液中從陰極到陽極完成一次放電，然后從陽極回到陰極完成一次充電。因此，三種不同形狀的電池的設(shè)計都會遵循電池本身的技術(shù)原理，但由于形狀的不同，制造過程分為纏繞和堆疊兩個不同的過程。

◆圓柱形電池

三種形狀的電池通過圓柱繞線、方形繞線和方形疊加，最終都會變成圓柱形、方形和柔性電池。然而，目前只有圓柱形電池在制造標準上是一致的。比如大家熟知的圓柱電池分為14650、18650、21700等型號。很多人認為這是一種電池類型，但它只代表了圓柱形電池的尺寸標準。以目前最成熟的圓柱電池標準18650型為例，而21700型正在經(jīng)歷不斷的技術(shù)進步，有可能取代18650型成為新能源汽車首選的圓柱電池產(chǎn)品。

◆方形電池

方形電池的可塑性更強，可以根據(jù)產(chǎn)品的具體需求進行定制。所以大小不同。目前無論是制造工藝還是應(yīng)用標準，都沒有像圓柱電池那樣明確的標準劃分。但由于靈活性高，在早期新能源汽車上已經(jīng)使用了很長時間，車企可以根據(jù)車輛需求定制方形電池的尺寸，不受圓柱電池標準的限制。方形電池曾被認為是最適合新能源汽車應(yīng)用的電池設(shè)計。目前很多車型都采用方形電池，比如寶馬的I系列車型、榮威ERX5、蔚來的ES8以及未來即將上市的轎車和家庭的增程式SUV。

◆方形軟包電池

另一方面，柔性電池追求更纖薄的體積，在同等容量密度下重量最輕，因為采用疊加制造方式。同樣，靈活的電池也可以根據(jù)應(yīng)用需求定制，從我們手機電池的大小到在新能源汽車中的應(yīng)用。柔性電池一直是行業(yè)內(nèi)移動設(shè)備的首選，但在汽車應(yīng)用中，其體積的可控性也受到汽車品牌的重視，尤其是插電式混合動力汽車。在考慮整車的布局和重量時，電池體積靈活的優(yōu)勢更加明顯。目前，通用的別克 VELITE 5（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）/VELITE（查成交價|參配|優(yōu)惠政策） 5、凱迪拉克CT6（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）插電式、XT5混動車型以及日產(chǎn)的Sylphy純電都采用了柔性電池。

點評:三種電池設(shè)計都以“換湯不換藥”的方式在市場上占有一席之地。從設(shè)計的角度來看，其中并沒有絕對的好壞。但由于最成熟的圓柱電池有固定的全球標準，從制造到應(yīng)用，整個過程的嚴謹性會更高。電池公司按標準制造電池，車企也按標準設(shè)計應(yīng)用，一致性強。中國曾試圖將歐洲的VDA標準作為方形電池技術(shù)的模板，但被引用的公司并不多。最早選擇使用方形電池的車企，也在逐步用圓柱電池替代，只是為了保證產(chǎn)品安全標準的一致性。

而方形柔性電池的突出優(yōu)勢就是定制化，這就導(dǎo)致了標準和流程的不同。汽車公司和電池供應(yīng)商必須就設(shè)計和工藝要求達成嚴格的協(xié)議，這顯然會導(dǎo)致雙方的R&D成本更高。目前車企對這三類電池都有自己的偏好和看法，會選擇自己比較認可的類型進行產(chǎn)品研發(fā)。畢竟用戶關(guān)心的是車輛續(xù)航性能和更好的配重和布局，對電池外形沒有偏好。我們再說一遍。三種電池設(shè)計在不同形狀下，在能量密度和安全性方面有什么優(yōu)勢？

在不同形狀的基礎(chǔ)上，三種電池設(shè)計也各有特點，可以通過外殼的材料和內(nèi)部設(shè)計來影響單體電池的能量密度、安全性和重量。我們再舉一個蛋糕的例子。餡料代表單個電池的能量密度，而面粉代表外殼包裝材料的選擇。

不銹鋼外殼一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料。由于工藝標準的不同要求，較輕的鋁殼在方形電池上迅速普及，在重量上也有優(yōu)勢。但由于追求更輕薄的技術(shù)，柔性電池采用鋁塑膜包裝，比鋁殼更輕。你甚至可以用手感受內(nèi)部液體電池的流動。

除了直接影響電芯的重量，外殼使用的不同材料也對電芯的安全性、發(fā)熱性等方面有影響。畢竟，電池應(yīng)該分組包裝，然后放入車內(nèi)。鋼殼最硬最重，需要兼顧安全工藝，難度相對較低，而鋁膜殼最軟最輕，單體制造成組封裝時對散熱和碰撞安全的要求也較高。然而，根據(jù)外殼材料的選擇，方形電池具有相同的優(yōu)點和缺點。

不要低估單節(jié)電池的重量，這會對分組放入車內(nèi)的最終包裝產(chǎn)生多層面的影響。更輕的電池組可以使整車重量更低，從而為車企提供更多的布局方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，單體電池越輕，空能量密度越大。例如，在設(shè)計車輛時，僅限于裝載一個300千克的電池組。顯然，單元越輕，整個電池組的能量就越高。

然而，當帶鋼殼的氣缸和方形電池安裝在車身上時，控制配重的方案相對簡單。比如目前主流的圓柱形電池組的新能源汽車，都是直接布置在車身下方，這樣可以保證車輛的前后配重即使較重也不會受到影響，但是會影響車輛的離地間隙和車內(nèi)平臺的高度。但是，有些插電式混合動力汽車會將圓柱形電池組放在后備箱下方，通過與前發(fā)動機的重量相匹配來平衡整車的重量，但這樣一來，后備箱的空就會變得很小。

由于電池的形狀不同，三種類型的電池在封裝組的安全性和散熱問題上也有不同的優(yōu)缺點。圓柱電池雖然重，能量密度低，但封裝時在圓柱之間形成良好的散熱空空間，而方形電池則不同。如果不留縫隙，緊密排列在一起，除了散熱，單體之間的安全性也很難保證。然而，柔性電池的包裝將更加復(fù)雜。為了安全，為了保證散熱，也為了不失去柔性電池體積纖薄的優(yōu)勢，我們可以想象它在封裝和分組上有多復(fù)雜。很多車企在包裝時都會仔細考慮三類電池設(shè)計的成本投入。目前，工藝難度和成本較低的圓柱形電池是現(xiàn)階段較好的選擇。

點評:簡單來說，如果方形電池和圓柱電池有相同的行業(yè)標準，那么兩種電池在應(yīng)用上的優(yōu)缺點基本在同一水平上。而柔性電池具有更強的設(shè)計靈活性，具有重量輕、能量密度高等更為明顯的優(yōu)勢，將成為未來更多車企的首選電池類型。但恰恰相反，對制造工藝的要求明顯高于前兩者。生產(chǎn)和包裝上的額外成本和技術(shù)要求，都變相提高了新能源汽車的終端售價。因此，柔性電池的極端優(yōu)缺點也讓一些車企望而卻步。目前新能源汽車使用柔性電池的比例最小。說白了，面對成本，更多的企業(yè)還是選擇與另外兩家妥協(xié)。

此外，單體電池的類型只是車企選擇研發(fā)方向的角度之一，封裝技術(shù)也是尤為關(guān)鍵的一環(huán)。目前，一線新能源車企都有自己的電池實驗室。他們在供應(yīng)商提供的電池原型基礎(chǔ)上進行二次研發(fā)，最后將研究方案推回給供應(yīng)商，兩人共同敲定所需的電池方案。然后，包裝工作由自己或供應(yīng)商完成，最后一步是通過精心的配重布置完成裝載。這個過程各方面都有利弊，也是返場企業(yè)會選擇哪種電池的關(guān)鍵。

●中國電池企業(yè)與汽車企業(yè)緊密甚至超越，合作共贏。

從單體電池到整車應(yīng)用，車企和電池公司之間有著密切的合作關(guān)系。比如在圓柱電池的應(yīng)用上，松下和特斯拉保持了多年的技術(shù)聯(lián)盟，美國通用汽車和LG化學(xué)也就柔性電池技術(shù)達成了技術(shù)共識。在此之前，三星SDI還與寶馬在方形電池上有過很多技術(shù)合作。

電池供應(yīng)商決定了電池可靠的基礎(chǔ)技術(shù)，車企的二次研發(fā)決定了電池在最終續(xù)航、配重、安全三大問題上的表現(xiàn)。ⅲ類電池的核心技術(shù)長期被日韓公司掌握，之前已經(jīng)成為新能源車企首選的電池供應(yīng)商。近兩年來，與國外相比，我國電池和新能源汽車企業(yè)不僅電池技術(shù)和應(yīng)用水平大幅收窄，在產(chǎn)能、質(zhì)量控制和實際應(yīng)用性能等方面也更有話語權(quán)。外國車企選擇中國電池企業(yè)作為首選供應(yīng)商已經(jīng)成為常態(tài)。

截至2021年，中國電池企業(yè)已具備制造圓柱電池、方形電池和柔性電池的綜合技術(shù)能力，三類電池的單體能量密度均取得長足進步。近年來，中國電池企業(yè)也從圓柱電池、方形電池向柔性電池技術(shù)過渡，當代安普瑞斯科技有限公司、李紳、郭萱高新為首的多家公司正在選擇采用柔性電池技術(shù)路線。

同時，隨著國內(nèi)新能源汽車補貼標準對電池能量密度提出更高要求，軟包技術(shù)成為實現(xiàn)電池輕量化、高密度的重要手段。今年年初，當代安普瑞斯科技有限公司、李紳、郭萱高新三家承接新型鋰離子動力電池項目的企業(yè)，均選擇了軟包電池技術(shù)路線，單體電池能量密度達到300Wh/kg。但其對高制造技術(shù)的要求也要求相關(guān)后市場技術(shù)的提升，如外包裝鋁塑膜的技術(shù)和產(chǎn)能、高精度疊片、電解液注入和封裝設(shè)備技術(shù)等。

然而，在走向柔性電池技術(shù)的道路上，仍然存在許多實際問題。首先，鋁塑膜技術(shù)成本高，國內(nèi)技術(shù)水平有限。尤其是疊片技術(shù)的控制要高于繞組。質(zhì)量控制將直接影響電池壽命和安全性。為了保持產(chǎn)能和質(zhì)量控制的同步增長，電池公司和汽車公司之間的協(xié)同努力更加關(guān)鍵。

總結(jié):新能源爆發(fā)前，可能會成為一種趨勢。

前幾年我國新能源汽車的動力電池主要是磷酸亞鐵鋰中的方形電池，因為當時中國企業(yè)擁有的圓柱電池技術(shù)和成本控制能力與海外國家相比并不突出。從車企的角度來看，可定制的方形電池更有利于新能源汽車的快速研發(fā)和設(shè)計?，F(xiàn)在，為了取得更快的成績，當時電池和汽車企業(yè)都把方形電池作為過渡技術(shù)，但目前圓柱形三元鋰電池已經(jīng)成為新的主流。

但這并不意味著誰會是最終的技術(shù)代表。圓柱形、方形和柔性電池目前對于市場來說都有自己獨特的價值，誰能成為新趨勢也會受到整車研發(fā)速度的影響。就我們而言，它們各自的優(yōu)勢最終能否在產(chǎn)品力方面被車企最大程度地展現(xiàn)出來，才是真正值得我們關(guān)注的問題。白貓，黑貓，能抓老鼠的好貓，軟缸，能跑很遠的好電池。

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