鉅大LARGE | 點擊量：1151次 | 2019年02月16日
為什么特斯拉將用20700
為什么特斯拉會對圓柱電池“情有獨鐘”，“圓柱電池”身上到底有哪些優點讓特斯拉這個“技術男”念念不忘呢？小編就以“現任情人”18650來分析一下。
對于用18650電芯做為新能源電動汽車電池的技術路線，大家首先可能把目光轉向特斯拉。特斯拉在進行電池開發時，測試了很多種類的電池，但最后把目標鎖定在18650電池，究竟18650的電芯有哪些優缺點，讓我們來分析18650的真面目。
首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認識
我們日常常說的18650其實是指電池的外形規格，是日本SONY公司當年為了節省成本而定下的一種標準電池型號，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，由于鎳氫的現在比較少用，所以現在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節標稱電壓一般為：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。
關于一致性
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
18650電池是最早、最成熟、最穩定的鋰離子電池，廣泛應用在電子產品中。多年來，日本廠商在18650電池的生產工藝上積累了大量的經驗，使得產出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。
相比之下，層疊式鋰離子電池遠遠沒有成熟，常見的有方形電池、軟包電池，甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統一，電池廠商所具備的生產工藝也不能滿足條件，大多數以人為控制為主，電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求，大量電池串、并聯形成的電池組的管理也將不能讓每個電池的性能更好地發揮，而18650電芯可以解決這一問題。
特斯拉使用的松下18650圓柱電池
總結來說，18650電池的單體容量小，所需的單體數量會很多(ModelS有7104只)，但是一致性很好；層疊式電池的容量可以做得較大(20Ah到60Ah)，單體數量可以降低，但是一致性差。相比之下，現階段很難投入大量的人力物力與電池供應商一起去改善層疊式電池的生產工藝。因此，在研發Roadster和ModelS的時候，Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池，自行開發電池系統。開發一套管理6000多節單體一致性很好的電池系統與開發一套200多節一致性很差的電池系統，相比之下，前者的技術難度應該更低一些。即使單體電池數目增多，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。
對比另一款很成功的純電動汽車，日產的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產與NEC合作多年，在電池技術方面積累很深厚，在品質控制方面應該有相當的功力。LEAF的電池來自AESC，日產與NEC的合資公司。
對比下美、日、中等不同地區的汽車廠商在開發電動汽車時與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。
關于散熱能力
層疊式電池的厚度薄、表面大，均熱、散熱能力都不錯，因此日產的LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(其實就是不管理！)，由空氣的自然對流將熱量帶走。
從左到右，LEAF從單體，到四節單體電池兩并兩串組成的電池模塊，再到由48個電池模塊串聯組成的電池組如下圖所示：
日產LEAF使用的NEC層疊電池
可以看到，電池組上沒有任何的風扇、冷卻液管道等熱管理系統。大概這就是無招勝有招。
反過來看Tesla，18650電池的個頭比較小，在正常充放電時單體電池內部的溫差也不會太大。但是，6000多個單體電池的溫度也應當保持在不超過5°C的范圍內，這是一件非常困難的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？參看Tesla的電池管理系統(BMS)相比其他電動汽車有哪些優勢？
特斯拉電池模組中的液冷系統
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。
總結來說，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統的復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電池不是最優選擇。
關于能量密度
談到能量密度，就必須區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電池是要高于層疊式鋰離子電池。我這里查到的日產LEAF所用的33Ah鋰離子電池的能量密度是157Wh/kg，GMVolt所用的層疊式電池的能量密度約為150Wh/kg；而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211Wh/kg。但是，18650電池的管理系統更加復雜，由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450kg，能量密度是118Wh/kg，而LEAF電池組的重量是225kg，能量密度是107Wh/kg。在電池組層次，兩者的能量密度已經不相上下。
從Tesla披露的信息看,在現有條件下,其生產的21700電池系統的能量密度在300Wh/kg,相比18650電池系統的250Wh/kg提高了20%。從松下的動力鋰電池單體的測試數據來看,其21700電池的體積能量密度遠高于18650型電池單體。單體電芯能量密度的提升要遠高于成組后提升的20%幅度。
由此可見,相比18650型號電池,21700電池的優勢如下:
第一，空間利用率變大,電芯單體及系統能量密度都可得到提升。從18650型號切換至21700型號后,電池單體電池容量可以達到3~4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需電池的數量可減少約1/3。
根據《中國制造2025》明確了動力電池的發展規劃：2020年，電池能量密度達到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達到500Wh/kg。目前，我國各電池動力鋰電池能量密度達到什么水平了呢？
比亞迪：目前，比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh，而接下來比亞迪計劃將能量密度繼續提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池，比亞迪也在同步開發三元鋰電池，而如果將三元鋰電池的技術結合到磷酸鐵鋰電池上，對原有用石墨作為負極材料的做法進行一些調整，那么在2020年左右，比亞迪計劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。
另外，在跟進的三元電池方面，比亞迪的三元電池已經具備量產條件，目前能量密度也達到了200Wh/kg。比亞迪三元電池的目標是2018年電池比能量達到240Wh/kg，2020年達到300Wh/kg。
沃特瑪：生產的32650圓柱型動力磷酸鐵鋰電池，單體能量密度已經達到145Wh/kg，下一步目標是實現160Wh/kg；三元電池目前能量密度為200Wh/kg，預計到2020年達到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到了160Wh/kg和200Wh/kg。預計2017年年底，磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達到180Wh/kg、PACK達到134Wh/kg，三元電池能量密度將突破240Wh/kg。
捷威動力：在能量密度方面，公司目前已經量產的三元軟包電池單體比能量達210WH/Kg。在提高電池安全性的基礎上，預計2020年公司軟包電池單體能量密度可達300WH/Kg，Pack成組后可達220WH/Kg；鈦酸鋰電池單體能量密度達到110WH/Kg以上。
智慧能源：公司量產的動力電池單體能量密度可達220Wh/Kg，PACK成組后能量密度達到140Wh/Kg。同時，公司BMS系統可做到5級防護，電池包采用輕量化材料，并進行了結構優化。
比克電池：2016年，比克三元材料動力電池行業占比30%以上，位列第一。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg，后續還將進一步提升至300Wh/kg。
卡耐新能源：卡耐新能源已經可以批量供應能量密度220Wh/kg電芯，系統比能量大于130Wh/kg電芯，同時工藝和技術層面已經分別實現250Wh/kg、技術300Wh/kg產品儲備。
超威：消息稱超威集團旗下子公司浙江超威創元實業有限公司(以下簡稱超威創元)在圓柱18650鋰電電芯研發方面取得新進展，新研發出的圓柱18650鋰電電芯容量一舉突破3000mAh“大關”，達到4050mAh，比能量已超過300wh/kg，提前實現科技部所給出的目標。
超威創元18650-4050mAh電芯比能量可達306Wh/kg，可以說提前完成了科技部“2020年的動力電池單體比能量300Wh/kg”的目標。此款電芯不僅在容量和比能量上有所突破，在其他性能上也很優異。任寧說，這款電芯循環壽命在300次以上(1C100%DOD)，而低溫性能和荷電保持能力均已達到國標(GB/T31484、GB/T31486)要求，-20℃條件下1C放電容量大于70%。
關于安全性
前面提到層疊式鋰離子電池的各種優點，但它也有一些缺點。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的，而鋁塑膜的厚度薄，機械強度差，在汽車發生碰撞等極端情況下，鋁塑膜很容易發生破損導致安全事故產生。這也就解釋了為什么日產要在4個單體組成的電池模塊外面再加一個鋁殼。
18650電池一般是鋼殼，安全性更好；而且前面也提到隨著18650電池生產工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。
Tesla在應對這些18650電池可能出現的安全事故上，也傾注了很多心血。如果一個單體電池出現溫度過高等異常情況，根據異常情況的惡劣程度，這枚電池或其所在的模組會斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小，只要不發生蔓延，事故的嚴重程度將是較低的。
關于成本
18650鋰離子電池具有容量大、壽命長、安全性能高等特點，又因為體積小，重量輕，使用方便，深受消費者的青睞。隨著人們對18650電池技術研究的不斷加深，使得電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。作為最早的鋰離子電池，18650電池也是目前世界上最成熟、最穩定的電池組合，至今仍然占據領先位置。我國每年生產18650電池約幾十億節，這一數據遠遠超出其他材料的電池。
而Tesla采用18650電池，就可以利用日本松下等廠商之前的生產線進行生產。在消費類電子產品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下，松下等廠商與Tesla合作升級產品，將原有的生產線改良后用于生產動力電池。工業生產有一個規模效應，當生產產品的規模達到一個量級之后，成本會大大降低。一輛新能源汽車就需要成千上萬節18650電池，因此單體的采購成本可控。
可以說，采用18650、21700等圓柱電池作為新能源電動汽車的動力之源，在現階段可以說是最優的選擇。但是隨著電池技術工藝的成熟，未來也會出現更多新型的電池應用在新能源電動汽車上。
從成本來看,根據Tesla披露的電池價格信息,預計21700的動力鋰電池系統售價為170美元/kWh,相比18650的售價185美元/kWh,價格下降幅度可達8.1%。18650的系統的成本約為171美元/kWh,改用21700后,系統成本約能實現9%左右的降幅,達到155美元/kWh。
