1、關(guān)于一致性

 

 

18650電池是最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。多年來(lái)，日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。

 

相比之下，層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟。常見的有方形電池、軟包電池，甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統(tǒng)一。電池廠商所具備的生產(chǎn)工藝也不能滿足條件，大多數(shù)以人為控制為主，電池的一致性達(dá)不到18650電池的水準(zhǔn)。如果電池的一致性達(dá)不到要求，大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理也將不能讓每個(gè)電池的性能更好地發(fā)揮，而18650電芯可以解決這一問題。

 

總結(jié)來(lái)說(shuō)，18650電池的單體容量小，所需的單體數(shù)量會(huì)很多（Model S 有7104只），但是一致性很好；層疊式電池的容量可以做得較大（20Ah~60Ah），單體數(shù)量可以降低，但是一致性差。相比之下，現(xiàn)階段很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝。因此，在研發(fā)Roadster和Model S的時(shí)候，Tesla的唯一選擇是從市場(chǎng)上去購(gòu)買電池，自行開發(fā)電池系統(tǒng)。開發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng)，相比之下，前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池?cái)?shù)目增多，但是如果這些電池的性能是可靠的，管理起來(lái)還是容易一些。微信公眾號(hào)：深圳LED商會(huì)

對(duì)比另一款比較成功的純電動(dòng)汽車，日產(chǎn)的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因?yàn)槿债a(chǎn)與NEC合作多年，電池技術(shù)方面的積累很深厚，在品質(zhì)控制方面有相當(dāng)?shù)墓αΑEAF的電池來(lái)自AESC--日產(chǎn)與NEC的合資公司。

 

2、關(guān)于散熱能力

 

層疊式電池的厚度薄、表面大，均熱、散熱能力都不錯(cuò)，因此日產(chǎn)LEAF很大膽地采用了被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)（其實(shí)就是不管理），由空氣的自然對(duì)流將熱量帶走。LEAF從單體，到四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊，再到由48個(gè)電池模塊串聯(lián)組成的電池組上沒有任何風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。

 

 

反過來(lái)看特斯拉，18650電池的個(gè)頭比較小，在正常充放電時(shí)單體電池內(nèi)部的溫差也不會(huì)太大。但是，6000多個(gè)單體電池的溫差也應(yīng)當(dāng)保持在不超過5℃的范圍內(nèi)，這是一件非常困難的事情。但特斯拉做到了，怎么做到的？特斯拉的電池管理系統(tǒng)（BMS）相比其他電動(dòng)汽車有哪些優(yōu)勢(shì)？

 

這些管道是冷卻液的流道，流道均勻分布在電池模組中間，能讓每只電芯能很好地跟水管接觸，這樣每只電芯在冷卻時(shí)帶走的熱量也幾乎一樣，溫差也就可以有效地控制在很小的范圍內(nèi)。

 

 

總結(jié)來(lái)說(shuō)，由于采用了小容量的18650電池，特斯拉的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了。也就是說(shuō)，如果僅從散熱能力方面考慮，使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選擇。

 

 

3、關(guān)于能量密度

 

談到能量密度，我們需要先區(qū)分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。

 

就單體電池的能量密度來(lái)看，18650電池要高于層疊式鋰離子電池。日產(chǎn)LEAF所用的33Ah鋰離子電池的能量密度是157Wh/kg、GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150Wh/kg，而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211Wh/kg。

 

但是，18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜，由此額外增加的重量會(huì)使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450kg，能量密度是118Wh/kg，而LEAF電池組的重量是225kg，能量密度是107Wh/kg。在電池組方面，兩者的能量密度不相上下。

 

4、21700電池隨之誕生

 

目前應(yīng)用比較廣泛的18650電池已有多年的發(fā)展歷史，相對(duì)其他類型電池技術(shù)雖然較成熟，但依然面臨著產(chǎn)熱高、成組復(fù)雜、無(wú)法實(shí)現(xiàn)快充等問題。在這樣的背景下，21700圓柱三元電池應(yīng)運(yùn)而生。2017年1月，特斯拉與松下聯(lián)合研發(fā)的新型21700電池開始量產(chǎn)，并強(qiáng)調(diào)這是目前可量產(chǎn)電池中能量密度最高且成本最低的電池。微信公眾號(hào)：深圳LED商會(huì)

 

 

電池21700是圓柱型電池的型號(hào)，21指圓柱電池的外徑為21mm；70指圓柱電池的長(zhǎng)度為70mm。21700是為了適應(yīng)電動(dòng)汽車對(duì)更長(zhǎng)續(xù)行里程的要求，為提高車輛電池空間有效利用率，而開發(fā)出的新型號(hào)。同種材料，21700相比常見的18650圓柱鋰電池，容量可以高35％以上。

 

21700四大優(yōu)勢(shì)：

 

1、電池單體容量提升35％。以特斯拉生產(chǎn)的21700電池為例，從18650型號(hào)切換至21700型號(hào)后，電池單體電池容量可以達(dá)到3～4.8Ah，大幅提升35％。

 

2、電池系統(tǒng)能量密度提升約20％。特斯拉發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)看，早期使用的18650電池系統(tǒng)能量密度約250Wh/kg，后來(lái)其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)能量密度在300Wh/kg左右，21700電池的體積能量密度比原有的18650高出近20％。

 

3、系統(tǒng)的成本預(yù)計(jì)下降9％左右。從特斯拉發(fā)布的電池價(jià)格信息分析，21700電池的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)售價(jià)為170美元/Wh，而18650電池系統(tǒng)的售價(jià)為185美元/Wh。在Model3上使用21700電池后，僅電池系統(tǒng)成本就可以下降約9％。

 

4、系統(tǒng)的重量預(yù)計(jì)下降10％左右。21700整體體積大于18650，隨著單體容量提升后，單體能量密度更高，所以同等能量下所需電池單體的數(shù)量可減少約1/3，在降低系統(tǒng)管理難度的同時(shí)也將減少電池包采用的金屬結(jié)構(gòu)件及電氣配件的數(shù)量，這進(jìn)一步降低了電池的重量。三星SDI改用一套新型21700電池之后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)相比目前的電池減少10％重量。

 

 

 

保持了18650型電池所具有的高可靠性和穩(wěn)定性，21700電池性能在各方面均比18650有較大提升。此外，相較于其他電池型號(hào)，21700從電池原材料選用、制作工藝和技術(shù)流程等方面，都和技術(shù)較成熟的18650電池相似。因此18650與21700的產(chǎn)線大部分可以兼容，部分企業(yè)比較穩(wěn)妥的辦法是在生產(chǎn)線上做文章，將生產(chǎn)線向21700和18650兼容上靠攏。

 

動(dòng)力電池追求高比能已成不可逆的趨勢(shì)，眾多電池企業(yè)開始把目光轉(zhuǎn)向布局21700電池。一些企業(yè)的生產(chǎn)線從國(guó)外進(jìn)口，但組裝上都是自己進(jìn)行，因此可以投入較少的成本，實(shí)現(xiàn)18650向21700的轉(zhuǎn)化。

 

5、電動(dòng)車電池的能量密度的重要性

 

 

這似乎就像在討論心臟的跳動(dòng)對(duì)于人體有多重要一樣，一輛純電動(dòng)車，或者說(shuō)的更標(biāo)準(zhǔn)一點(diǎn)，一輛電池動(dòng)力車的性能、續(xù)航里程、可靠性都取決于其電池包內(nèi)的電池?cái)?shù)量以及單節(jié)電池內(nèi)的能量密度。這個(gè)比較容易理解：總電量=電池?cái)?shù)量×單節(jié)電池能量密度。

 

而現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其實(shí)已經(jīng)很死板了，留給電池組的空間并不充裕，大部分車型都集中在坐艙地板下方，當(dāng)然這也是出于安全和空間等方面的考慮。

 

所以說(shuō)，電池?cái)?shù)量已經(jīng)被限制在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)，無(wú)法大幅提升。想要增強(qiáng)電池組的性能，唯有在能量密度上做文章。

 

 

6、關(guān)于安全性

 

由于層疊式鋰離子電池一般采用鋁塑膜封裝，而鋁塑膜的厚度薄、機(jī)械強(qiáng)度差，在汽車發(fā)生碰撞等極端情況下，鋁塑膜很容易發(fā)生破損導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生。這也是為什么日產(chǎn)要在4個(gè)單體組成的電池模塊外面再加一個(gè)鋁殼的原因。

 

18650電池一般是鋼殼，安全性更好，而且前文也提到隨著18650電池生產(chǎn)工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。特斯拉在應(yīng)對(duì)18650電池可能出現(xiàn)的安全事故上，也傾注了很多心血。如果一個(gè)單體電池出現(xiàn)溫度過高等異常情況，根據(jù)異常情況的惡劣程度，這枚電池所在的模組會(huì)斷開電路以防止事故的蔓延。由于單體容量小，只要不發(fā)生蔓延，事故的嚴(yán)重程度將是較低的。

 

 

 

7、關(guān)于成本

 

 

18650鋰離子電池具有容量大、壽命長(zhǎng)、安全性能高等特點(diǎn)，又因?yàn)轶w積小、重量輕、使用方便而深受消費(fèi)者的青睞。隨著人們對(duì)18650電池技術(shù)研究的不斷加深，電池的一致性、穩(wěn)定性都達(dá)到了非常高的標(biāo)準(zhǔn)。作為最早的鋰離子電池，18650電池也是目前世界上最成熟、最穩(wěn)定的電池，至今仍然在其應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先位置。

 

 

 

而特斯拉采用18650電池，可以利用日本松下等廠商之前的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用18650電池競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的情況下，松下等廠商與特斯拉合作升級(jí)產(chǎn)品，將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動(dòng)力電池。工業(yè)生產(chǎn)有一個(gè)規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達(dá)到一個(gè)量級(jí)后，成本將大大降低。一輛新能源汽車需要成千上萬(wàn)節(jié)18650電池，因此單體的采購(gòu)成本可控。