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从技术角度看圆柱型锂电池21700

国际新能源网  来源:动力电池技术  日期:2019-01-10
  与软包和方形锂电池相比,18650圆柱形锂电池,是商业化最早,生产自动化程度最高,当前成本最低的一种动力电池。又有Tesla多年夹持,基本保持着与软包和方形电池三分天下的局面。从特斯拉宣布Model 3采用21700以后,圆柱电池家族也多出了一个明星成员。本文一起来看看圆柱电池相关的几个技术点。下文中不特殊声明的,圆柱电池就特指18650 。
 
  圆柱电池结构
 
  关注一下动力电池就会发现,圆柱18560电池,是被研究的最多,技术讨论最充分的电池品种。单体主要由正极,负极,隔膜,正极负极集电极,安全阀,过流保护装置,绝缘件和壳体共同组成。壳体,早期钢壳较多,当前以铝壳为主。其中安全阀、PTC如下图所示。
 
  单体过流保护装置,每个厂家的设计并不相同,根据对安全性要求的不同,价格要去不同,可以进行定制。一般的安全装置主要有PTC正温度系数电阻和熔断装置两大类。
 
  PTC,当出现过大电流,电阻发热,温度积累更促进PTC阻值的上升,当温度超过一个阈值以后,陡然增大,相当于把故障电芯从总体回路中隔离开来,避免进一步热失控的发生。
 
  熔断装置,原理上就是一个熔丝,遇到过大电流,熔丝熔断,回路被断开。
 
  两种保护装置的区别在于前者可恢复,后者的保护是一次性的,一旦故障发生,系统必须认为更换问题电芯才能正常工作。
 
  圆柱电芯特点
 
  圆柱电芯,尤其18650,由于其自身结构特点,也由于其型号的标准化,圆柱电芯生产的自动化水平,在3种主要电芯形式中为最高。这就使得高度一致性成为可能,成品率相应得到提高。有数据显示,三星、松下等国外主要厂家良品率可以达到98%,而我国厂商也可以超过90%。
 
  优点,1)如前面所述,单体一致性较好;
 
  2)单体自身力学性能好,与方形和软包电池相比,封闭的圆柱体,近似尺寸下,可以获得最高的弯曲强度;
 
  3)技术成熟,成本低,但同时,成本优化的空间也已经消耗的差不多;
 
  4)单体能量小,发生事故时,形式易于控制,但这一点也正在成为它被取代的理由(那句流行的话怎么讲,成就你的也将毁灭你,杀不死你的也必将使你强大,物同此理啊)
 
  缺点,1)在电动汽车这个语境中,电池系统的圆柱单体数量都很大,这就使得电池系统复杂度大增,无论机构还是管理系统,相对于其他两类电池,系统级别的成本圆柱电池偏高;
 
  2)在温度环境不均匀条件下,大量电芯特性异化的概率上升,当然,特斯拉之所以在设计之初选择18650,相信只是个无奈之选,因为10年前,能够大批量生产的合格动力电池,只有圆柱电池。而电池的安全和热管理需求,反而是它强大电控系统的研发动力。
 
  3)能量密度的上升空间已经很小,2016年的新闻,超威把单体容量做到4050mAh,电芯比能量306Wh/kg,此后没有看到更高的记录。在既定空间内,只有死磕材料,公认是一条难走的路。
 
  Tesila的Model 3电池系统带火了21700
 
  特斯拉 Model 3 全面启用21700三元锂电池,开启了一个圆柱电池提升容量的新阶段。特斯拉 Model 3的21700型电池系统,能量密度在300Wh/kg左右,比原来Model S使用的18650电池能量密度提升20%以上,单体容量提升35%,系统成本降低9%左右。
 
  21700相关厂家和车型
 
  目前国际上能够批量生产21700电池的企业屈指可数,除了松下和特斯拉联合研发的21700电池量产外,先前三星SDI也曾展示相关21700产品,据了解该产品还没有进行批量生产。
 
  国内21700厂家,新闻资料显示着手21700的厂家有比克,力神,亿纬锂能,天鹏电源,远东福斯特,猛狮新能等。
 
  随着南京金龙和北汽的两款产品公示,8月16日,国家工信部发布《道路机动车辆生产企业及产品公告》(第299批)的车辆新产品公示。其中,由南京金龙客车制造有限公司和北汽(常州)汽车有限公司生产的两款纯电动厢式运输车(型号为NJL5040XXYBEV25和BJ5040XXYCJ06EV),率先搭载了21700三元锂离子电池。
 
  从18650到21700,怎么看待升容这件事?
 
  自从网上看到这幅图,就总想找机会把它放到文章里,原因无他,图中关于提升比能量的总结可以说很全面了。沿着图中的思路,如果从化学方法提高电芯比能量,18650前途并不光明。
 
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  18650锂离子电池发展面临的挑战,面对当前人们不断提高比能量的现状,如果维持外形尺寸不变,又要提高能量密度,18650面临诸多挑战:
 
  1)新材料如NCA、硅碳等新材料供应链尚不成熟,成本高,供应难以稳定,比如更高能量密度的材料811,本身稳定性和制程控制距离量产有段差距,结果就是短期内811的18650贵很多,性能却差不少;
 
  2)新材料制程对环境要求高,固定资产投资高,能耗巨大;
 
  3)单体电池容量低,PACK成组技术要求和成本偏高;
 
  4)单体电芯最多适应正单、负双极耳结构,而且对能量密度影响较为显着;
 
  5)高能量密度与高倍率充电同时要求时,设计空间很小,18650用523+石墨体系,按新国标,1C做到2.4AH已到了设计的极限。
 
  更大直径圆柱锂离子电池将成为必然趋势,有数据如下图所示,更大尺寸电芯与18650在极耳设计和卷绕曲率两个角度进行对比,大尺寸电芯显示出明显优势。
 
  总结下来,尺寸从18650提高到21700,获得好处如下:
 
  1)适当提高能量密度情况下,可以选择常规材料,性能稳定、性价比高;
 
  2)可以适当进行多极耳机构设计,降低内阻;
 
  3)同样能量密度下,可以选择快充特性石墨,改善快充性能;
 
  4)适当增加直径和高度可以获得更多的有效体积。
 
  5)单体电芯容量增大,辅助构件比例降低,降低Pack成本。
 
  而工信部新颁布的国家标准《GB/T 34013-2017 电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》之中,把原来征求意见稿中只有18650和32650修改成了囊括21700在内的4个规格,也算作21700的一个重大利好了。
 
  然而,提升容量的路径与小单体等价于安全性高的早期观点有冲突。小型锂离子电池(<3Ah)及电池模组(<150Ah)的热安全性已经有很多较为成熟的方法进行防控,比如加入PTC、引入电流中断机制或压力传感器等。而大型锂离子单体电池(>6Ah)或模组(>200Ah)的安全性控制问题仍然存在挑战。大型动力锂离子电池相比于小型电池,由于其本身所含能量较高,当出现热安全性问题时,所带来的后果会更为严重;由于电池体积的增大,造成电池比表面积的减小进而使得电池单位体积散热面积的降低。电池内部温度的不一致性也会随着锂离子电池的大型化和成组化而出现,这种电池单体之间的温度差异会使得电池热失控风险增加,进而导致电池出现一系列问题。
 
  一般认为,如果厂家掌握更为先进的安全管理技术,可以让风险停留在自身系统的可控范围内,就可以对冲掉电池单体带来的风险。反过来也可以说,使用更大容量的电芯去构建系统,理论上是以单体设计和电池pack设计风险管理技术水平的提高为前提的。
 
  容量提升带来的风险和收益,是业内的显知识,主机厂是否全面接受,愿意为它让渡一定的安全性,是21700进一步发展的关键一环,个人觉得,这个需要很长一段时间。而生产21700所需要的设备的调整和更新,则受到设备供应商观点的影响。
 
  圆柱电池的优势大部分的来自于其规模化,在21700真正规模起来之前,还有B级产品处置问题,这种无法降级使用的尺寸,也是对厂家决心和资金实力的考验。
 
  单从技术积累角度看,18650被企业和学术单位研究多年,有很多公开数据和资料,比如热管理模型,比如热失控预测等等。对于自身研发能力还不完善的小企业来讲,也算是一种资源。而21700却相对空白的多。
 
  对于21700在未来的发展,利好不少,利空也可以随手罗列。但这都是圆柱电池内部比较。如果再考虑方形电池和软包电池的竞争,21700的大发展可能并不会很快到来。
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