18650／21700電池性能、成本都有什么不同？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-02 09:46
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自從1994年松下公司首次推出18650型號(hào)鋰離子電池以來(lái)，該型號(hào)鋰離子電池已經(jīng)取得了巨大的成功，特斯拉早期推出的Model S、X和3系電動(dòng)汽車采用的就是由日本松下公司提供的18650電池，近年來(lái)為了提高電池包的能量密度，減少電池包內(nèi)電池的數(shù)量，松下公司又推出了容量更大的21700型號(hào)鋰離子電池，并應(yīng)用在最新的Model 3車型上。
近日，德國(guó)Zentrumfu ?rSonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Wu ?rttemberg研究所的Jason B. Quinn（第一作者，通訊作者）和Karsten Richter（通訊作者）詳細(xì)對(duì)比了18650電池和21700電池在能量、容量、能量密度、內(nèi)阻和熱特性、成本上的差異（參與對(duì)比的電池信息如下表所示）。
下圖為電池能量密度與負(fù)極的涂布厚度之間的關(guān)系，從圖中我們能夠注意到電池的能量密度與負(fù)極的涂布厚度之間存在明顯的線性相關(guān)，負(fù)極的涂布量越高則電池的能量密度越高。同時(shí)我們還注意到在相同的負(fù)極厚度下，幾種不同結(jié)構(gòu)的電池能量密度是比較接近的，電池的結(jié)構(gòu)對(duì)于能量密度的影響比較小。
下圖為18650、20700和21700三種電池的內(nèi)阻與電池能量之間的關(guān)系，從圖中我們能夠注意到電池的內(nèi)阻明顯分為了兩大陣營(yíng)，18650電池陣營(yíng)，20700和21700陣營(yíng)，18650電池的內(nèi)阻要明顯高于21700和20700電池。在相同類型的電池中，電池的內(nèi)阻隨著電池能量的增加而逐漸增加，這主要是因?yàn)楦叩哪芰恳馕吨竦碾姌O，從而導(dǎo)致電子和離子的擴(kuò)散難度增加，同時(shí)隨著電極厚度的增加，電池內(nèi)能夠卷入的電極長(zhǎng)度也會(huì)縮短，導(dǎo)致電極面積的降低，這都會(huì)顯著的增加電池的內(nèi)阻。
下圖為軟包電池、18650、20700和21700電池的內(nèi)阻與電極面積之間的關(guān)系，從圖中能夠看到幾種電池的內(nèi)阻與電極面積之間的關(guān)系曲線都是相同的，也就是電極面積越大電池的內(nèi)阻越小，因此21700電池內(nèi)阻較低主要是因?yàn)槠潆姌O面積比較大。
下圖為功率型和能量型的18650、21700電池的倍率性能曲線，功率型和能量型21700電池的電極厚度分別為65um和91um，功率型和能量型的18650電池電極厚度分別為34um和101um。從下圖能夠看到由于能量型電池的電極厚度較厚，因此在大倍率下性能急劇衰降。而電極厚度較薄的功率型鋰離子電池在較大的倍率下性能表現(xiàn)則要好的多，放電能量衰降不大，僅僅是電池的極化出現(xiàn)了一定成的增加。
下圖為功率型和能量型的18650、21700電池在不同放電倍率下的溫升，從圖中能夠看到能量型的電池由于放電過(guò)程中損失在極化、歐姆阻抗上的能量比較多，因此電池的溫度升高也要明顯大于功率型的電池。21700電池由于電芯體積比較大，電池比散熱面積較小，因此溫升比較大，18650電池由于電池本身體積比較小，比散熱面積較大，因此在放電的過(guò)程中溫升要明顯少于21700電池。
下圖為不同類型的電池在不同放電倍率下的最大溫升，從圖中能夠看到隨著電池尺寸的增大（18650到21700）和電池能量的提升，不同倍率下的最大溫升曲線的斜率也出現(xiàn)了明顯的增加，表明大尺寸和高容量的電池在放電過(guò)程中的產(chǎn)熱也更大。
接下來(lái)就是兩種電池的成本分析了，我們首先從單體電池層面來(lái)看一下電池的成本：
1）兩種電池的電極生產(chǎn)都是相同的，因此在電極生產(chǎn)、電芯卷繞這一部分都是相同；
2）電池殼體，由于21700電池的直徑更大，能夠容納更多的電芯，因此每Wh所需要的外殼，21700電池要比18650電池少33%，因此21700電池的外殼成本低于18650
3）由于同樣的Wh數(shù)的電池?cái)?shù)量減少33%，因此對(duì)注液、封口過(guò)程的需求也有所減少，成本有所降低。
4）同樣由于電池總體數(shù)量的降低，對(duì)于化成設(shè)備的需求也大大減少，提升了效率，降低了成本。
在Pack層面21700同樣具有優(yōu)勢(shì)：
1）首先是采用21700電池替代18650電池后，在電池包電量相同的情況下，電池包內(nèi)的單體電池?cái)?shù)量將會(huì)大幅減少，降低了電池包結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和pack難度。
2)更少的電池?cái)?shù)量也降低了BMS的監(jiān)控難度。
3）21700電池替換18650電池后并不會(huì)降低電池模塊內(nèi)的孔隙率，因此電池包的體積和冷卻結(jié)構(gòu)的數(shù)量是相同。
通過(guò)對(duì)比18650、20700和21700電池，我們發(fā)現(xiàn)
1）每個(gè)21700單體電池包含的能量比18650高50%左右，因此在使用中單體電池的數(shù)量可以大幅的降低；
2）由于21700電池的能量更多，因此生產(chǎn)同樣Wh的電池需要的零部件和設(shè)備的數(shù)量減少，有利于降低生產(chǎn)成本；
3）21700電池并不會(huì)顯著的提高電池的能量密度，鋰離子電池的能量密度主要還是與電極的涂布量有關(guān)。
