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    行業資訊

    圓柱/方形/軟包 動力電池為什么有3種形狀?圓柱/方形/軟包有什么區別?

    來源:寶鄂實業    2019-04-24 20:47    點擊量:
    動力電池與儲能電池是目前電池技術應用的兩大場景,儲能電池對應著太陽能等設備,動力電池則對應著新能源汽車。
     
    日本SONY公司在1992年發明了18650鋰電池,其也成為目前最常見的圓柱形電池設計,例如5號、7號堿性電池都是采用這種形狀設計。而在之后的時間里,由于電池的應用場景變多,以三星SDI為首的方形電池和LG華為為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產品中進行應用。
     
    對于在新能源汽車,三類電池目前市場格局也比較穩定,沒有最好只有更好,不同國家不同車企對于三類電池技術的認可度也不同。我在不久前參加了一場軟包電池的技術培訓,所以也想在今天的內容中和大家聊聊,反饋到我們實際應用層面,這三類不同形狀的電池到底有何區別。
     
    ● 變標不變本,形狀無論如何變也要遵循基本原理
    因為制造封裝的方式不同,三類電池在形狀上有明顯的區別。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標準,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。
     
    ◆ 圓柱形電池
    所有三種形狀的電池將通過圓柱卷繞、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。但目前在制造標準上只有圓柱形電池擁有一致性,例如我們熟知的圓柱形電池,分為了14650、18650、21700等型號,很多人都認為這是一種電池類型,但其只是代表了圓柱形電池的尺寸標準。以18650型為例,其是目前最為成熟的圓柱形電池標準,而21700型正在通過不斷的技術進步,有可能在接下來取代18650型成新能源汽車的首選圓柱形電池產品。
     
    ◆ 方形電池
    而方形電池的可塑性會更強一些,可以根據搭載產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標準,并沒有圓柱形電池那樣清晰的標準劃分。但也正因為其靈活性高,曾經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標準的限制。方形電池也曾經被認為是最適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,蔚來的ES8以及未來將上市的車和家的增程式SUV。
     
    軟包電池則因為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。軟包電池也一直被業內作為移動設備上的首選,但在汽車應用上,也因為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動力車,在兼顧整車布局和重量時,軟包電池體積優勢更加明顯。目前通用旗下別克的VELITE 5/VELITE 5、凱迪拉克CT6插電、XT5混動版車型、日產的軒逸純電都采用的是軟包電池。
     
    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。但最為成熟的圓柱形電池因為擁有了固定的全球標準,從制造到應用上,整套流程的嚴謹性會更高,電池企業根據標準造電池,而車企也根據標準來設計應用,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標準作為模板,但引用的企業并不多,最早選擇使用方形電池的車企,也在逐漸更換為圓柱形電池,就是為了確保產品安全標準的一致性。
     
     
    方形以及軟包電池的突出優勢就是可定制化,也因此出現了標準不一、工藝不一,車企與電池供應商必須在設計與工藝要求上達成嚴格一致,顯然對雙方都有了更高的研發成本付出。目前車企對于這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產品研發,畢竟用戶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。下面我們再來聊聊,在不同形狀下,三種電池設計在能量密度以及安全性上,各自又有什么樣的優勢呢?
     
    ● 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內部設計對單體電池的能量密度、安全性以及重量造成影響。我們再拿蛋糕來舉個例子,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。
     
    不銹鋼外殼曾經一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料,因工藝標準要求的不同,更輕的鋁制外殼在方形電池上快速推廣,也在重量上形成了優勢。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內部液態電池的流動。
     
    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、發熱等環節來講也有影響,畢竟最終一個個的單體電池要封裝成組后放到車內。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,存在同樣的優劣勢。
     
    不要小瞧單體電池重量這件事,這對于最終封包成組放到車內將有多層面的影響。更輕的電池組能讓整體車重更低,從而也為車企提供了更多的布局方法。隨著技術的進步,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只能裝載一套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,這樣才能保證即便重一些也不會影響整車的前后配重,但對車輛的離地間隙和車廂內的地臺高度都會有影響。而有一些插電式混合動力車,會把圓柱形電池組放在后備廂下方,通過與車頭發動機的重量進行配比,來均衡整車的配重,但結果就是后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優劣勢。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復雜,要安全、要保證散熱,還要不損失軟包本身纖薄體積的優勢,可想而知在封裝成組環節上有多復雜。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,目前來講,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:簡單來講,如果方形電池也擁有和圓柱型電池一樣的行業標準,那么兩者在應用上的優劣勢基本也在同一水平線上。但軟包電池因為設計靈活性則更強,且兼具了重量低、能量密度高等更明顯的優勢,在未來會成為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,生產、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價。所以軟包電池極端的優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,更多企業還是選擇了向其它兩者妥協。
     
     
    另外,單體電池類型只是車企在選擇研發方向的角度之一,封裝技術也是尤為關鍵的環節。目前一線的新能源車企都擁有自己的電池實驗室,他們在供應商提供的電池原型基礎上做二次研發,最后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。然后再由自己或者供應商完成封裝的工作,最后一步經過縝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,中國電池企業與車企的合作共贏
    從單體電池到車輛應用,車企與電池企業之間有著密切的合作關系。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化學在軟包電池技術上達成技術共識。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。
     
    電池供應商來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、配重以及安全這三大主要問題上的表現。三類電池的核心技術曾經長時間的被日韓企業所掌握,也成為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,且在產能、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業作為首選供應商已經成為常態。
    到2018年,中國電池企業已經具備了圓柱、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,中國電池企業也從圓柱、方形電池向軟包電池技術過渡,以寧德時代、力神、國軒高科為首的幾家企業正在選擇采用軟包電池技術路線。
     
    同時,隨著國內新能源汽車補貼標準對電池能量密度提出了更高要求,軟包技術成為了電池實現輕量化和高密度化的重要手段,今年年初寧德時代、力神、國軒高科三家承擔新型鋰離子動力電池項目的企業,均選擇了軟包電池技術路線,單體電芯能量密度均達到300Wh/kg。但其對高制造工藝的要求,也要求著相關后市場技術的提高,例如外包裝鋁塑膜的工藝和產能,高精密度的疊片、電解液注射和封裝設備技術。