深度剖析21700鋰電池

動(dòng)力電池?zé)崾Э丶夹g(shù)研究

與軟包和方形鋰電池相比，18650圓柱形鋰電池，是商業(yè)化最早，生產(chǎn)自動(dòng)化程度最高，當(dāng)前成本最低的一種動(dòng)力電池。又有Tesla多年夾持，基本保持著與軟包和方形電池三分天下的局面。從特斯拉宣布Model3采用21700以后，圓柱電池家族也多出了一個(gè)明星成員。本文一起來(lái)看看圓柱電池相關(guān)的幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)。下文中不特殊聲明的，圓柱電池就特指18650。

圓柱電池結(jié)構(gòu)

關(guān)注一下動(dòng)力電池就會(huì)發(fā)現(xiàn)，圓柱18560電池，是被研究的最多，技術(shù)討論最充分的電池品種。單體主要由正極，負(fù)極，隔膜，正極負(fù)極集電極，安全閥，過(guò)流保護(hù)裝置，絕緣件和殼體共同組成。殼體，早期鋼殼較多，當(dāng)前以鋁殼為主。其中安全閥、PTC如下圖所示。

單體過(guò)流保護(hù)裝置，每個(gè)廠家的設(shè)計(jì)并不相同，根據(jù)對(duì)安全性要求的不同，價(jià)格要去不同，可以進(jìn)行定制。一般的安全裝置主要有PTC正溫度系數(shù)電阻和熔斷裝置兩大類。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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PTC，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)大電流，電阻發(fā)熱，溫度積累更促進(jìn)PTC阻值的上升，當(dāng)溫度超過(guò)一個(gè)閾值以后，陡然增大，相當(dāng)于把故障電芯從總體回路中隔離開來(lái)，避免進(jìn)一步熱失控的發(fā)生。

熔斷裝置，原理上就是一個(gè)熔絲，遇到過(guò)大電流，熔絲熔斷，回路被斷開。

兩種保護(hù)裝置的區(qū)別在于前者可恢復(fù)，后者的保護(hù)是一次性的，一旦故障發(fā)生，系統(tǒng)必須認(rèn)為更換問(wèn)題電芯才能正常工作。

圓柱電芯特點(diǎn)

圓柱電芯，尤其18650，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也由于其型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化，圓柱電芯生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，在3種主要電芯形式中為最高。這就使得高度一致性成為可能，成品率相應(yīng)得到提高。有數(shù)據(jù)顯示，三星、松下等國(guó)外主要廠家良品率可以達(dá)到98%，而我國(guó)廠商也可以超過(guò)90%。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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優(yōu)點(diǎn)，1)如前面所述，單體一致性較好;

2)單體自身力學(xué)性能好，與方形和軟包電池相比，封閉的圓柱體，近似尺寸下，可以獲得最高的彎曲強(qiáng)度;

3)技術(shù)成熟，成本低，但同時(shí)，成本優(yōu)化的空間也已經(jīng)消耗的差不多;

4)單體能量小，發(fā)生事故時(shí)，形式易于控制，但這一點(diǎn)也正在成為它被取代的理由(那句流行的話怎么講，成就你的也將毀滅你，殺不死你的也必將使你強(qiáng)大，物同此理啊)

缺點(diǎn)，1)在電動(dòng)汽車這個(gè)語(yǔ)境中，電池系統(tǒng)的圓柱單體數(shù)量都很大，這就使得電池系統(tǒng)復(fù)雜度大增，無(wú)論機(jī)構(gòu)還是管理系統(tǒng)，相對(duì)于其他兩類電池，系統(tǒng)級(jí)別的成本圓柱電池偏高;

2)在溫度環(huán)境不均勻條件下，大量電芯特性異化的概率上升，當(dāng)然，特斯拉之所以在設(shè)計(jì)之初選擇18650，相信只是個(gè)無(wú)奈之選，因?yàn)?0年前，能夠大批量生產(chǎn)的合格動(dòng)力電池，只有圓柱電池。而電池的安全和熱管理需求，反而是它強(qiáng)大電控系統(tǒng)的研發(fā)動(dòng)力。

3)能量密度的上升空間已經(jīng)很小，2016年的新聞，超威把單體容量做到4050mAh，電芯比能量306Wh/kg，此后沒(méi)有看到更高的記錄。在既定空間內(nèi)，只有死磕材料，公認(rèn)是一條難走的路。

Tesila的Model3電池系統(tǒng)帶火了21700

特斯拉Model3全面啟用21700三元鋰電池，開啟了一個(gè)圓柱電池提升容量的新階段。特斯拉Model3的21700型電池系統(tǒng)，能量密度在300Wh/kg左右，比原來(lái)ModelS使用的18650電池能量密度提升20%以上，單體容量提升35%，系統(tǒng)成本降低9%左右。

21700相關(guān)廠家和車型

目前國(guó)際上能夠批量生產(chǎn)21700電池的企業(yè)屈指可數(shù)，除了松下和特斯拉聯(lián)合研發(fā)的21700電池量產(chǎn)外，先前三星SDI也曾展示相關(guān)21700產(chǎn)品，據(jù)了解該產(chǎn)品還沒(méi)有進(jìn)行批量生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)21700廠家，新聞資料顯示著手21700的廠家有比克，力神，億緯鋰能，天鵬電源，遠(yuǎn)東福斯特，猛獅新能等。

隨著南京金龍和北汽的兩款產(chǎn)品公示，8月16日，國(guó)家工信部發(fā)布《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》(第299批)的車輛新產(chǎn)品公示。其中，由南京金龍客車制造有限公司和北汽(常州)汽車有限公司生產(chǎn)的兩款純電動(dòng)廂式運(yùn)輸車(型號(hào)為NJL5040XXYBEV25和BJ5040XXYCJ06EV)，率先搭載了21700三元鋰離子電池。

從18650到21700，怎么看待升容這件事?

自從網(wǎng)上看到這幅圖，就總想找機(jī)會(huì)把它放到文章里，原因無(wú)他，圖中關(guān)于提升比能量的總結(jié)可以說(shuō)很全面了。沿著圖中的思路，如果從化學(xué)方法提高電芯比能量，18650前途并不光明。

18650鋰離子電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，面對(duì)當(dāng)前人們不斷提高比能量的現(xiàn)狀，如果維持外形尺寸不變，又要提高能量密度，18650面臨諸多挑戰(zhàn):

1)新材料如NCA、硅碳等新材料供應(yīng)鏈尚不成熟，成本高，供應(yīng)難以穩(wěn)定，比如更高能量密度的材料811，本身穩(wěn)定性和制程控制距離量產(chǎn)有段差距，結(jié)果就是短期內(nèi)811的18650貴很多，性能卻差不少;

2)新材料制程對(duì)環(huán)境要求高，固定資產(chǎn)投資高，能耗巨大;

3)單體電池容量低，PACK成組技術(shù)要求和成本偏高;

4)單體電芯最多適應(yīng)正單、負(fù)雙極耳結(jié)構(gòu)，而且對(duì)能量密度影響較為顯著;

5)高能量密度與高倍率充電同時(shí)要求時(shí)，設(shè)計(jì)空間很小，18650用523+石墨體系，按新國(guó)標(biāo)，1C做到2.4AH已到了設(shè)計(jì)的極限。

更大直徑圓柱鋰離子電池將成為必然趨勢(shì)，有數(shù)據(jù)如下圖所示，更大尺寸電芯與18650在極耳設(shè)計(jì)和卷繞曲率兩個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比，大尺寸電芯顯示出明顯優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)下來(lái)，尺寸從18650提高到21700，獲得好處如下:

1)適當(dāng)提高能量密度情況下，可以選擇常規(guī)材料，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高;

2)可以適當(dāng)進(jìn)行多極耳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低內(nèi)阻;

3)同樣能量密度下，可以選擇快充特性石墨，改善快充性能;

4)適當(dāng)增加直徑和高度可以獲得更多的有效體積。

5)單體電芯容量增大，輔助構(gòu)件比例降低，降低Pack成本。

而工信部新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T34013-2017電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》之中，把原來(lái)征求意見稿中只有18650和32650修改成了囊括21700在內(nèi)的4個(gè)規(guī)格，也算作21700的一個(gè)重大利好了。

然而，提升容量的路徑與小單體等價(jià)于安全性高的早期觀點(diǎn)有沖突。小型鋰離子電池(<150Ah)的熱安全性已經(jīng)有很多較為成熟的方法進(jìn)行防控，比如加入PTC、引入電流中斷機(jī)制或壓力傳感器等。而大型鋰離子單體電池(>6Ah)或模組(>200Ah)的安全性控制問(wèn)題仍然存在挑戰(zhàn)。大型動(dòng)力鋰離子電池相比于小型電池，由于其本身所含能量較高，當(dāng)出現(xiàn)熱安全性問(wèn)題時(shí)，所帶來(lái)的后果會(huì)更為嚴(yán)重;由于電池體積的增大，造成電池比表面積的減小進(jìn)而使得電池單位體積散熱面積的降低。電池內(nèi)部溫度的不一致性也會(huì)隨著鋰離子電池的大型化和成組化而出現(xiàn)，這種電池單體之間的溫度差異會(huì)使得電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而導(dǎo)致電池出現(xiàn)一系列問(wèn)題。

一般認(rèn)為，如果廠家掌握更為先進(jìn)的安全管理技術(shù)，可以讓風(fēng)險(xiǎn)停留在自身系統(tǒng)的可控范圍內(nèi)，就可以對(duì)沖掉電池單體帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。反過(guò)來(lái)也可以說(shuō)，使用更大容量的電芯去構(gòu)建系統(tǒng)，理論上是以單體設(shè)計(jì)和電池pack設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)水平的提高為前提的。

容量提升帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和收益，是業(yè)內(nèi)的顯知識(shí)，主機(jī)廠是否全面接受，愿意為它讓渡一定的安全性，是21700進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，個(gè)人覺(jué)得，這個(gè)需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。而生產(chǎn)21700所需要的設(shè)備的調(diào)整和更新，則受到設(shè)備供應(yīng)商觀點(diǎn)的影響。

圓柱電池的優(yōu)勢(shì)大部分的來(lái)自于其規(guī)?；?1700真正規(guī)模起來(lái)之前，還有B級(jí)產(chǎn)品處置問(wèn)題，這種無(wú)法降級(jí)使用的尺寸，也是對(duì)廠家決心和資金實(shí)力的考驗(yàn)。

單從技術(shù)積累角度看，18650被企業(yè)和學(xué)術(shù)單位研究多年，有很多公開數(shù)據(jù)和資料，比如熱管理模型，比如熱失控預(yù)測(cè)等等。對(duì)于自身研發(fā)能力還不完善的小企業(yè)來(lái)講，也算是一種資源。而21700卻相對(duì)空白的多。

對(duì)于21700在未來(lái)的發(fā)展，利好不少，利空也可以隨手羅列。但這都是圓柱電池內(nèi)部比較。如果再考慮方形電池和軟包電池的競(jìng)爭(zhēng)，21700的大發(fā)展可能并不會(huì)很快到來(lái)。