能源電動(dòng)汽車選用18650電池的的原因是什么

對(duì)于用18650電芯做為新能源電動(dòng)汽車電池的技術(shù)路線，大家可能首先把目光轉(zhuǎn)向特斯拉。特斯拉在進(jìn)行電動(dòng)汽車電池開發(fā)時(shí)，測(cè)試了很多種類的電池，但最后把目標(biāo)鎖定在18650電池，那么究竟18650電芯有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

首先對(duì)18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認(rèn)識(shí)

18650其實(shí)是指電池的外形規(guī)格，是日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號(hào)，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。18650電池原指鎳氫電池和鋰離子電池，由于鎳氫電池現(xiàn)在比較少用，所以現(xiàn)在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節(jié)標(biāo)稱電壓一般為3.6V 或3.7V；最小放電終止電壓一般為2.5～2.75V。常見容量為1200～3300mAh。

關(guān)于一致性

18650電池是最早、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，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)來說，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（20 Ah到60 Ah），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，管理起來還是容易一些。

對(duì)比另一款很成功的純電動(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，在電池技術(shù)方面積累很深厚，在品質(zhì)控制方面有相當(dāng)?shù)墓α?。LEAF的電池來自AESC--日產(chǎn)與NEC的合資公司。

對(duì)比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。

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?。煽諝獾淖匀粚?duì)流將熱量帶走。

從左到右，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)組成的電池組如下圖所示：

可以看到，電池組上沒有任何的風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。大概這就是無招勝有招。

反過來看Tesla，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 C的范圍內(nèi)，這是一件非常困難的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？Tesla 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)？

如上圖，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)來說，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的。也就是說，如果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。

關(guān)于能量密度

談到能量密度，就必須區(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看，18650電池要高于層疊式鋰離子電池。日產(chǎn)LEAF所用的33 Ah鋰離子電池的能量密度是157 Wh/kg，GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kg；而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211 Wh/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450 kg，能量密度是118 Wh/kg，而LEAF電池組的重量是225 kg，能量密度是107 Wh/kg。在電池組層次，兩者的能量密度已經(jīng)不相上下。

18650跟26650的能量密度。這里按重量計(jì)算，因?yàn)橹亓筷P(guān)系到拿起來累不累。

26650 5000毫安時(shí)。18650 ga 3300毫安時(shí)。問題是26650 93g，18650只有47g。

意味著，那么，這么推理，按26650能量密度，18650只有2527毫安時(shí)。按18650能量密度，26650應(yīng)該要有6530毫安時(shí)??！但實(shí)際只有5000毫安時(shí)。

繼續(xù)推理，2個(gè)18650 94g，6600毫安時(shí)，重量約等于1個(gè)26650，但容量大了1600毫安時(shí)，多了32%。2個(gè)可以提供20A放電能力了。所以，18650按重量計(jì)算，比26650更適合手電使用！

圖為包皮26650，18650為ga自己包皮的。

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4日，特斯拉宣布與松下聯(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。

21700電池：

電池21700是圓柱型電池的型號(hào)，具體指：21——指圓柱電池的外徑為21mm；700——指圓柱電池的高度為70．0mm。

這是為了適應(yīng)電動(dòng)汽車對(duì)更長續(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。

新型21700具有四大顯著的優(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％。特斯拉披露的數(shù)據(jù)來看，早期使用的18650電池系統(tǒng)能量密度約250Wh／kg，后來其生產(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。從特斯拉披露的電池價(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)定的性能，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。

目前國內(nèi)廠商代表有力神電池、比克電池、億緯鋰能、猛獅科技等企業(yè)，除此之外，天臣新能源、天鵬電源、創(chuàng)明新能源、智慧能源、智航新能源、橫店東磁、海四達(dá)、安徽泰能等電池企業(yè)也紛紛布局21700電池。

純電動(dòng)車電池的能量密度高低有多重要？

這似乎就像在討論心臟的跳動(dòng)對(duì)于人體有多重要一般，一輛純電動(dòng)車，或者說的更標(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)公式很好理解：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，留給電池組的空間也就那么一點(diǎn)，大部分車型都集中在坐艙地板下方，當(dāng)然這也是出于安全性和空間性的考慮。

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

什么是電池能量密度？

能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/電池厚度/電池寬度/電池長度，基本單位為Wh/kg（瓦時(shí)/千克）。

電池的能量密度越大，單位體積內(nèi)存儲(chǔ)的電量越多。

據(jù)悉，電池的能量密度基本由電池的正負(fù)極決定的，但只是正負(fù)極活性材料也不能保證電池能發(fā)上電，得有很多非活性物質(zhì)，比如導(dǎo)電輔助劑、活性粉末之間的粘結(jié)劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。

我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質(zhì)的含量，得出的能量密度與事實(shí)相差較大，誤導(dǎo)吃瓜群眾。其實(shí)，這部分相當(dāng)重要，就拿過去十幾年的技術(shù)進(jìn)步來說，電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質(zhì)占比的提升來實(shí)現(xiàn)的。

還有的就是以增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)容的效果。

我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動(dòng)車企特斯拉將換裝新款21700電池。而原因并非18650電池有任何質(zhì)量問題，只是18650電池單顆容量小，普遍在2-4Ah左右，串并聯(lián)數(shù)量過多，單體失效風(fēng)險(xiǎn)概率較大，導(dǎo)致其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定的限制。

而21700電池在尺寸上相比18650電池（直徑18mm，長度65mm）更大，達(dá)到了直徑21mm，長度70mm。如果想再形象一點(diǎn)來考慮這個(gè)問題，我們不妨來看看來自Hitech Energy的計(jì)算，僅考慮單體的密集堆積進(jìn)行計(jì)算，可知：30支21700的體積是40支18650體積的1.1倍，質(zhì)量則為0.97倍。

在同等能量下，所需電池的數(shù)量可減少約1/3，電池包內(nèi)部金屬連接件數(shù)量減少，從而進(jìn)一步降低電池包的重量，整車的能量密度將得到部分提升，達(dá)到接近300kw/kg。

以下三點(diǎn)尤為引人注意：

1.到2020年，鋰離子動(dòng)力電池單體比能量大于300Wh/kg;系統(tǒng)比能量爭取達(dá)到260Wh/kg;成本小于1元/瓦時(shí);使用環(huán)境達(dá)-30℃到55℃;具備3C充電能力。

2.到2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg。

3.力爭實(shí)現(xiàn)單體電池350Wh/kg、系統(tǒng)260Wh/kg的鋰離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和整車應(yīng)用。

我國各電池動(dòng)力鋰電池能量密度達(dá)到什么水平了呢？

比亞迪：目前，比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh，而接下來比亞迪計(jì)劃將能量密度繼續(xù)提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池，比亞迪也在同步開發(fā)三元鋰電池，而如果將三元鋰電池的技術(shù)結(jié)合到磷酸鐵鋰電池上，對(duì)原有用石墨作為負(fù)極材料的做法進(jìn)行一些調(diào)整，那么在2020年左右，比亞迪計(jì)劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。

另外，在跟進(jìn)的三元電池方面，比亞迪的三元電池已經(jīng)具備量產(chǎn)條件，目前能量密度也達(dá)到了200Wh/kg。比亞迪三元電池的目標(biāo)是2018年電池比能量達(dá)到240Wh/kg，2020年達(dá)到300Wh/kg。

沃特瑪：生產(chǎn)的32650圓柱型動(dòng)力磷酸鐵鋰電池，單體能量密度已經(jīng)達(dá)到145Wh/kg，下一步目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)160Wh/kg;三元電池目前能量密度為200Wh/kg，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到300Wh/kg的水平。

國能電池：早在2013年，國能磷酸鐵鋰和三元電池單體能量密度就達(dá)到了160Wh/kg和200Wh/kg。預(yù)計(jì)2017年年底，磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達(dá)到180Wh/kg、PACK達(dá)到134Wh/kg，三元電池能量密度將突破240Wh/kg。

捷威動(dòng)力：在能量密度方面，公司目前已經(jīng)量產(chǎn)的三元軟包電池單體比能量達(dá)210WH/Kg。在提高電池安全性的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)2020年公司軟包電池單體能量密度可達(dá)300WH/Kg，Pack成組后可達(dá)220WH/Kg;鈦酸鋰電池單體能量密度達(dá)到110WH/Kg以上。

智慧能源：公司量產(chǎn)的動(dòng)力電池單體能量密度可達(dá)220Wh/Kg，PACK成組后能量密度達(dá)到140Wh/Kg。同時(shí)，公司BMS系統(tǒng)可做到5級(jí)防護(hù)，電池包采用輕量化材料，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

比克電池：2016年，比克三元材料動(dòng)力電池行業(yè)占比30%以上，位列第一。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg，后續(xù)還將進(jìn)一步提升至300Wh/kg。

卡耐新能源：卡耐新能源已經(jīng)可以批量供應(yīng)能量密度220Wh/kg電芯，系統(tǒng)比能量大于130Wh/kg電芯，同時(shí)工藝和技術(shù)層面已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)250Wh/kg、技術(shù)300Wh/kg產(chǎn)品儲(chǔ)備。

來源：硬件十萬個(gè)為什么