2020 年 2 月 3 日，寧德時代正式發(fā)布公告，將成為特斯拉鋰離子電池供應商，供貨有效期為兩年，從 2020 年 7 月 1 日開始到 2022 年 6 月 30 日。寧德時代將以訂單量的形式向特斯拉供應電池，是圓柱電池？還是方形電池又或者是軟包電池？成為目前消費者非常關心的問題之一。
在寧德時代發(fā)布的公告中，并沒有提及為特斯拉供應的是何種電池類型，有內(nèi)部人士告訴新出行，寧德時代未來為特斯拉提供的將是方形電池。同時也有另一種猜想：寧德時代為特斯拉提供的電池只使用在 Model Y 上。拋開猜想，準車主們先要了解的是電動汽車電池都有哪些形式？優(yōu)缺點是什么？哪一種會是未來的發(fā)展大趨勢？今天的文章為大家準備了一些科普小知識。
三種形式：圓柱電池、方形電池、軟包電池
圓柱電池顧名思義即和我們常見的五號電池相似的圓柱型電池
方形電池同樣不難理解，即由方形鋁合金外殼加固包裹的電池
軟包電池樣如其名，由鋁塑復合膜作為封裝材料的軟質(zhì)電池
簡單理解：這三個種類主要都是在電池的外型上做區(qū)分。以目前市面上主流的電動車為例，特斯拉旗下全部車型都采用的是圓柱電池，國產(chǎn)車型只有零跑 S01、奇瑞小螞蟻、江淮 iEV6E 這樣的小型車使用和特斯拉一樣的 18650 電池；蔚來全系、比亞迪等國產(chǎn)車型大多采用的是方形電池；奔馳 EQC、奧迪 e-tron 以及保時捷 Taycan 用的是軟包電池，接下來我們?yōu)榇蠹以敿毜慕榻B這三種類型的電池都有什么優(yōu)點和缺點。
圓柱電池：發(fā)展時間長，技術最成熟
優(yōu)點：技術成熟成本較低、穩(wěn)定耐用、單體能量密度高、單體一致性好
缺點：能量密度的上升空間小、大量組合對 BMS 要求高
常見的 18650 電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池標稱電壓為 3.7V，充電截止電壓為 4.2V，磷酸鐵鋰電池標稱電壓為 3.2V，充電截止電壓為 3.6V，容量通常為 1200mAh-3350mAh，常見容量是 2200mAh-2600mAh。這種電池的表現(xiàn)為容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流放電、電化學性能穩(wěn)定、使用安全、工作溫度范圍寬、對環(huán)境友好。
最早的圓柱形鋰電池是由日本 SONY 公司于 1992 年發(fā)明的 18650 鋰電池，因為 18650 圓柱型鋰電池的歷史相當悠久，所以市場的普及率非常高，一個典型的圓柱形電池的結構包括：正極蓋、安全閥、PTC 元件、電流切斷機構、墊圈、正極、負極、隔離膜、殼體。圓柱型鋰電池采用相當成熟的卷繞工藝，自動化程度高，產(chǎn)品傳品質(zhì)穩(wěn)定，成本相對較低。圓柱電池的內(nèi)部結構可以比喻一個驢打滾、豆皮卷、千張卷盤踞在外殼之內(nèi)。
它還有諸多型號，比如常見的有 14650、17490、18650、21700、26650 等，以 18650 為例，18 指的是電芯直徑為 18mm，65 則為高度 65mm，0 則代表著其圓柱形狀，其他以此類推。廣泛應用于太陽能燈具、草坪燈具、后備能源、電動工具、玩具模型上。
電池數(shù)量過多成為電動汽車面臨的棘手問題，為了滿足容量需求只能通過數(shù)量的大幅度增加來彌補，更大的數(shù)量對于 BMS 電池管理系統(tǒng)要求更高。拿特斯拉上 7000 節(jié) 18650 來說，目前也只有特斯拉的 BMS 電池管理系統(tǒng)才能滿足如此數(shù)量的運算要求，這也是國內(nèi)少有廠家用 18650 的原因之一。除此之外，由于圓柱電池在組合成電池組時需采用鋼殼，所以其重量相對較高，理論上圓柱電池 PACK 后的能量密度要比其他兩種電池低。
18650 換裝 21700 后電池能量密度提升近 20%，成本也明顯低于 18650，系統(tǒng)的成本預計下降 9％ 左右，系統(tǒng)的重量預計下降 10％ 左右，那么造更大的圓柱電池不就可以了？
這里需要知道一個小知識：電池容量每上升 10%，電池的循環(huán)壽命就會降低 20%，電池的循環(huán)壽命和單體的電壓有關系。根據(jù)最新的測試，18650 電芯和 21700 電芯的充電電壓峰值是 4.2V，而一般的方塊電芯是 3.9V 左右。電池的充電電壓每降低 0.10V，它的循環(huán)充電壽命可以增加一倍。按照目前 18650 和 21700 電芯，它的單體循環(huán)次數(shù)是 300-500 次，而方塊電芯則更長，磷酸鐵鋰的電池充電電壓是在 3.6V-3.8V，超級磷酸鐵鋰電芯的工作電壓能到 3.9V，所有的電芯，它并不是因為長相去決定它的循環(huán)壽命次數(shù)，而是它的本體支持的電壓。隨著電池容量上升，充放電倍率就會下降 30%-40%，電芯溫度會上升 20%，所以這意味著需要更強的 BMS 電池管理系統(tǒng)來對電池進行有效控制。
方形電池：當下折中的解決方案
優(yōu)點：強度高、內(nèi)阻小、壽命長、空間利用率高
缺點：生產(chǎn)工藝難統(tǒng)一、散熱難度高
方形電池是目前國際領域應用面最廣的電池 PACK 形式，國內(nèi)目前主流的蔚來、吉利等一系列新能源車企均采用方形電池。這種電池應用面廣的最主要原因之一就是其供應商多且技術難度相對較低，國內(nèi)絕大多數(shù)電池供應商均選擇研發(fā)方形電池，比如耳熟能詳?shù)膶幍聲r代主要提供的就是方形電池。
方形鋰電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，國內(nèi)動力電池廠商多采用電池能量密度較高的鋁殼方形電池為主，因為方形電池的結構較為簡單，不像圓柱電池采用強度較高的不銹鋼作為殼體及具有防爆安全閥的等附件，所以整體附件重量相比圓柱型電池更輕，方形電池的能量密度理論上比圓柱電池的能量密度要更高。其結構強度高、忍受機械載荷能力好，電池內(nèi)阻小，壽命長、組成后的能量密度下降小，空間利用率高。
蔚來汽車模塊化靈活裁剪電池容量專利申報圖
方型電池有采用卷繞和疊片兩種不同的工藝，雖說技術難度相對不高但也存在諸多技術上的不穩(wěn)定因素影響電池品質(zhì)。圓柱鋰電池工藝非常成熟，極片公有二次分切缺陷機率低，且卷繞工藝成熟度及自動化程度更高，疊片工藝目前還在采用半手工方式。方形電池易產(chǎn)生極耳虛焊影響電池品質(zhì)，邊角處化學活性能較差，長期使用電池性能下降較明顯。電動汽車采用的方形電芯也各有不同，方形電池因為要應對不同空間的利用，就要根據(jù)不同的需求進行定制化生產(chǎn)。但靈活性高的背后是標準化程度低，工藝很難達到統(tǒng)一，散熱難度較大。
在新能源研發(fā)初期，德國車企死守一條基本的底線不放，一切都要為安全讓路。2009 年，寶馬推出搭載三星 SDI 方形電池的純電動汽車 Megacity（i3 的原型），之后 i3 在全球范圍內(nèi)受到歡迎，至此三星 SDI 才得以打開市場。
軟包電池：看看自己的手機電池就能理解
優(yōu)點：能量密度極高、重量輕
缺點：需要額外防護防止電池受損和熱失控
軟包電池雖然在汽車市場上應用的并不多，但我們對它并不陌生。我們的手機基本上采用的都是“軟包電池”，但是在 3C 數(shù)碼上，我們統(tǒng)稱不叫軟包電池，叫做：聚合物電池。軟包電池的優(yōu)勢與劣勢幾乎相生相隨，因為軟包電池的形狀是靈活設計的（根據(jù)客戶的需求定制，電芯也是重新制作的），所以統(tǒng)一型號的現(xiàn)有軟包電池數(shù)量太少，另外研發(fā)一套新的軟包電池組成本也挺高的。
軟包鋰電池是液態(tài)鋰離子電池套上一層聚合物外殼，與其他電池最大的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復合膜)，這也是軟包鋰電池中最關鍵、技術難度最高的材料，這也是國內(nèi)電池廠商遲遲沒有大幅度推廣軟包電池的原因之一。由于鋁塑膜在輕量化上相對鋼殼和鋁殼存在絕對的優(yōu)勢，軟包電池的重量較同等容量的鋼殼電池要輕 40%，比鋁殼電池輕 20%，因此軟包電池在比能量上有著先天的優(yōu)勢。軟包電池較同等規(guī)格尺寸的鋼殼電池容量高 10-15%，較鋁殼電池高 5-10%，能量密度上占了很大便宜。
軟包電池采用了疊加的制造方式，在體積上相比于其他兩類電池更加纖薄，所以它的能量密度在理論上是三種電池中最高的，軟包電池可根據(jù)客戶需求定制外形，可以做更薄，普通鋁殼只能做到 4mm，軟包可以做到 0.5mm，在電池布局的靈活性上要比另外兩類電池更好。
軟包電池與方形、圓柱電池的外殼材料不同，決定了其封裝方式也不同。軟包電芯采用的是熱封裝，而金屬外殼電池一般采用焊接(激光焊)進行密封。如果實在很難理解可以把軟包電池看作是千層蛋糕。
軟包電池采用熱封裝的原因是其使用了鋁塑包裝膜材料，通常分為三層，即外阻層(一般為尼龍 BOPA 或 PET 構成的外層保護層)、阻透層(中間層鋁箔)和內(nèi)層(多功能高阻隔層)。
鋁塑復合膜外觀及內(nèi)部結構示意圖
軟包鋰離子電芯主要包括：鋁塑膜成型、頂封與側(cè)封、注液與預封、化成與整形、排氣與二封、裁邊與折邊。
但由于軟包電池內(nèi)部為疊加式設計，需要在每兩片電池中間加上一層薄片，薄片中會充滿液體，通過加熱或制冷從而保證電池處于最適宜的工作溫度，這也意味著軟包電池需要更加復雜的電池控制系統(tǒng)。目前奧迪 e-tron、奔馳 EQC、別克 VELITE 6、領克插混版等車型使用的都是軟包電池。
以別克 VELITE 6 為例，每兩片軟包電池組成一個 MINI 堆垛單元的基礎。通過流水線焊接在一起。電芯與電芯之間由鋁制冷卻片隔開，冷卻液通過注水口注入，填充冷卻片上的“毛細管”，循環(huán)流動并帶走熱量。此外，也可以通過線圈加熱冷卻液，使電池升溫，即使在極端寒冷環(huán)境下，確保電池處于最適宜的工作溫度。兩個軟包電池、一片“毛細管”冷卻片，再加上一個模組框架和一片隔熱泡棉，就組成了一個完整的“MINI 堆垛單元”。而一個電池模塊總成由26個“MINI堆垛單元”組成。
三種電池結構的派系之爭
鋰離子電池，經(jīng)過或卷繞或疊加這兩種不同的結構工藝完成內(nèi)部組織的生產(chǎn)之后，在外殼封裝的材質(zhì)和形狀上走了三條不同道路：圓柱、方形和軟包。雖然本質(zhì)上三種路線的電化學原理都一樣，材料組成也基本相同，但就是這不同的封裝形式和形狀特征，決定了三種電池和背后生產(chǎn)廠商迥然的命運。
方形電池生產(chǎn)企業(yè)前三名是寧德時代、比亞迪、國軒高科；軟包電池生產(chǎn)企業(yè)前三名是孚能科技、國能電池、卡耐新能源；圓柱電池生產(chǎn)企業(yè)前三名是比克電池、力神、國軒高科。
目前國內(nèi)市場，方形鋁殼占絕對優(yōu)勢，主要原因為 CATL 和比亞迪等龍頭企業(yè)的頭部效應；國內(nèi)的圓柱和軟包電池企業(yè)技術發(fā)展相對滯后，這些二線企業(yè)的諸多技術與非技術問題，導致其裝機量較少，更加劇了方形鋁殼裝機量一枝獨秀的局面?？傮w來看，2019 年車用電芯裝機量總計約 62.2GWh，方形鋁殼電芯裝機占絕對優(yōu)勢，裝機量高達 52.6GWh，占比約 85%，是軟包的 10 倍，是圓柱的 13 倍。
半路殺出個“刀片電池”
電動汽車上的電池包由電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝電池包（Pack）里，形成了“電芯-模組-電池包”的三級裝配模式。而 CTP，即Cell to PACK，是電芯直接集成為電池包，從而省去了中間模組環(huán)節(jié)。CTP 電池技術可以簡單的概括為，將電芯的模組去除，直接固定在動力電池總成內(nèi)部，而關聯(lián)的高壓線纜、通訊線纜、冷卻/預熱循環(huán)管路、BMS 監(jiān)測模塊、溫度傳感器、電流傳感器等設備，都要進行相應的改進或重新布設。
目前 CTP 有兩種技術路線，一是采用完全無模組方式，二是以大模組替代小模組的方式。近期呼聲超高的比亞迪刀片電池就是完全無模組技術方案的代表。由比亞迪開發(fā)的長度大于 0.6 米的大電芯，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”一樣插入到電池包里面，這也是大家將其稱之為刀片電池的原因。由于去除模組，電芯直接固定在動力電池總成內(nèi)部，就要進行必要的結構加強才能滿足被動安全的標定需求。也正是因為去除了模組，動力電池總成的自重將會不同程度的降低，相應的提升動力電池總成的能量密度同時，可以獲得更好的電芯散熱/預熱設定，在復雜工況充放電模式下電芯溫度差可以控制在 1℃。
比亞迪“刀片電池”專利
據(jù)悉，比亞迪計劃在明年中旬推出全新一代磷酸鐵鋰電池，體積比能量增加 50%，成本下降 30%，續(xù)航里程達到 600km，該電池就會采用 CTP 方式。而另外一種實現(xiàn)方式是以大模組替代之前小模組，并不是完全取消模組，而是把之前的小模組去掉側(cè)板，用扎帶連接起來，把模組做大，代表企業(yè)有特斯拉、寧德時代、蜂巢能源等。如下圖為特斯拉 Model 3 電池包內(nèi)部拆解圖，可見 Model 3 是由四個長度約 2 米的大模組組成，而之前特斯拉 Model S 的模組為 16 個。
CTP 不是萬能的，為什么電池技術發(fā)展了 20 多年，到今天才用上 CTP？這個要歸根到鎳材料的發(fā)展，目前鎳是稀缺資源，非常昂貴的一種物質(zhì)材料。我們俗稱的 NCA NCM，N 就是鎳，無論是 NCA 還是 NCM ，鎳的比重大概是在 80% 左右，泛指 NCM811。在高鎳的環(huán)境下，電池的一致性非常差。以之前 CMP 模組化架構來說，就是為了杜絕 CTP 之后電芯與電芯之間發(fā)生的摩擦，產(chǎn)生膨脹、變形、熱失控所波及到整個電池組?，F(xiàn)在所采用的 CTP 其實嚴格意義上來說，它單體外壁還是有一層薄膜保護體，無論是比亞迪、寧德時代、蜂巢能源，都是采用這樣的結構。
目前采用 CTP 結構的，只有特斯拉。一直以來，電池廠都是在吐槽特斯拉，一顆電芯出問題就波及到其它電芯，說的就是 CTP 這個痛點。作為一名普通消費者，最多也只能了解到 CTP 所帶來的優(yōu)缺點，其實，這背后本質(zhì)上是電池廠商和車企的博弈。如今電池廠商做模組并非強贏利點，并且大多數(shù)車企自己可以做模組，例如華晨寶馬、北京奔馳、通用汽車等，反而做 PACK 才是可行的出路。而電池廠商只有轉(zhuǎn)變?yōu)?CTP 方案，之后才有機會去做整個PACK，CTP 因此也被打包和宣傳為動力電池的下一個風口。
編輯總結
隨著電池不斷發(fā)展，軟包電池在新能源汽車市場的滲透率將持續(xù)提升，當方形電池技術逐漸接近瓶頸期時，更有挖掘潛力和技術優(yōu)勢的軟包電池就會成為替代者，而對目前準備購買新能源汽車的消費者來說，電池品質(zhì)仍然是購車前需要考慮的重要一項，目前階段來看各種形式的電池都可選擇并沒有絕對性的優(yōu)勢和劣勢，圓柱形電池技術成熟可靠性較高，方形電池則處于居中位置，軟包電池則屬于技術最為先進的梯隊但對工藝的要求也相對較高因此可靠性上畫了一個問號。
