鉅大LARGE | 點擊量：2213次 | 2021年05月17日
圓柱型鋰離子電池21700的結(jié)構(gòu)以及特點
與軟包和方形鋰離子電池相比，18650圓柱形鋰離子電池，是商業(yè)化最早，生產(chǎn)自動化程度最高，當(dāng)前成本最低的一種動力鋰電池。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明星成員。本文一起來看看圓柱電池相關(guān)的幾個技術(shù)點。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)注一下動力鋰電池就會發(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。單體重要由正極，負(fù)極，隔膜，正極負(fù)極集電極，安全閥，過流保護裝置，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。
單體過流保護裝置，每個廠家的設(shè)計并不相同，根據(jù)對安全性要求的不同，價格要去不同，可以進(jìn)行定制。一般的安全裝置重要有PTC正溫度系數(shù)電阻和熔斷裝置兩大類。
PTC，當(dāng)出現(xiàn)過大電流，電阻發(fā)熱，溫度積累更促進(jìn)PTC阻值的上升，當(dāng)溫度超過一個閾值以后，陡然增大，相當(dāng)于把故障電芯從總體回路中隔離開來，防止進(jìn)一步熱失控的發(fā)生。
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%
熔斷裝置，原理上就是一個熔絲，遇到過大電流，熔絲熔斷，回路被斷開。
兩種保護裝置的差別在于前者可恢復(fù)，后者的保護是一次性的，一旦故障發(fā)生，系統(tǒng)必須認(rèn)為更換問題電芯才能正常工作。
圓柱電芯特點
圓柱電芯，尤其18650，由于其自身結(jié)構(gòu)特點，也由于其型號的標(biāo)準(zhǔn)化，圓柱電芯生產(chǎn)的自動化水平，在3種重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、松下等國外重要廠家良品率可以達(dá)到98%，而我國廠商也可以超過90%。
優(yōu)點，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度；
3）技術(shù)成熟，成本低，但同時，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，形式易于控制，但這一點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大，物同此理啊）
缺點，1）在電動汽車這個語境中，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，無論機構(gòu)還是管理系統(tǒng)，相關(guān)于其他兩類電池，系統(tǒng)級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)計之初選擇18650，相信只是個無奈之選，因為10年前，能夠大批量生產(chǎn)的合格動力鋰電池，只有圓柱電池。而電池的安全和熱管理需求，反而是它強大電控系統(tǒng)的研發(fā)動力。
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21700三元鋰離子電池，開啟了一個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
目前國際上能夠批量生產(chǎn)21700電池的公司屈指可數(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)品還沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)。
國內(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，八月十六日，國家工信部公布《道路機動車輛生產(chǎn)公司及產(chǎn)品通告》（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)的兩款純電動廂式運輸車（型號為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，就總想找機會把它放到文章里，原因無他，圖中有關(guān)提升比能量的總結(jié)可以說很全面了。沿著圖中的思路，假如從化學(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)展面對的挑戰(zhàn)，面對當(dāng)前人們不斷提高比能量的現(xiàn)狀，假如維持外形尺寸不變，又要提高能量密度，18650面對諸多挑戰(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)果就是短時間內(nèi)811的18650貴很多，性能卻差不少；
2）新材料制程對環(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)，而且對能量密度影響較為顯著；
5）高能量密度與高倍率充電同時要求時，設(shè)計空間很小，18650用523+石墨體系，按新國標(biāo)，1C做到2.4AH已至了設(shè)計的極限。
更大直徑圓柱鋰離子電池將成為必然趨勢，有數(shù)據(jù)如下圖所示，更大尺寸電芯與18650在極耳設(shè)計和卷繞曲率兩個角度進(jìn)行比較，大尺寸電芯顯示出明顯優(yōu)勢。
總結(jié)下來，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、性價比高；
2）可以適當(dāng)進(jìn)行多極耳機構(gòu)設(shè)計，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)新增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家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T34013-2017電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》之中，把原來征求意見稿中只有18650和32650修改成了囊括21700在內(nèi)的4個規(guī)格，也算作21700的一個重大利好了。
然而，提升容量的路徑與小單體等價于安全性高的早期觀點有沖突。小型鋰離子電池（<3Ah）及電池模組（<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）的安全性控制問題仍然存在挑戰(zhàn)。大型動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)熱安全性問題時，所帶來的后果會更為嚴(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使得電池?zé)崾Э仫L(fēng)險新增，進(jìn)而導(dǎo)致電池出現(xiàn)一系列問題。
一般認(rèn)為，假如廠家掌握更為先進(jìn)的安全管理技術(shù)，可以讓風(fēng)險停留在自身系統(tǒng)的可控范圍內(nèi)，就可以對沖掉電池單體帶來的風(fēng)險。反過來也可以說，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)計和電池pack設(shè)計風(fēng)險管理技術(shù)水平的提高為前提的。
容量提升帶來的風(fēng)險和收益，是業(yè)內(nèi)的顯知識，主機廠是否全面接受，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)，個人覺得，這個要很長一段時間。而生產(chǎn)21700所要的設(shè)備的調(diào)整和更新，則受到設(shè)備供應(yīng)商觀點的影響。
圓柱電池的優(yōu)勢大部分的來自于其規(guī)?；?，在21700真正規(guī)模起來之前，還有B級產(chǎn)品處置問題，這種無法降級使用的尺寸，也是對廠家決心和資金實力的考驗。
單從技術(shù)積累角度看，18650被公司和學(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)測等等。關(guān)于自身研發(fā)能力還不完善的小公司來講，也算是一種資源。而21700卻相對空白的多。
關(guān)于21700在未來的發(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。假如再考慮方形電池和軟包電池的競爭，21700的大發(fā)展可能并不會很快到來。
