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簡要分析圓柱型鋰電池21700

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年05月31日  

  與軟包和方形鋰電池相比,18650圓柱形鋰電池,是商業化最早,生產自動化程度最高,當前成本最低的一種動力電池。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明星成員。本文一起來看看圓柱電池相關的幾個技術點。下文中不特殊聲明的,圓柱電池就特指18650。

  圓柱電池結構

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  關注一下動力電池就會發現,圓柱18560電池,是被研究的最多,技術討論最充分的電池品種。單體主要由正極,負極,隔膜,正極負極集電極,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,當前以鋁殼為主。其中安全閥、PTC如下圖所示。

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  單體過流保護裝置,每個廠家的設計并不相同,根據對安全性要求的不同,價格要去不同,可以進行定制。一般的安全裝置主要有PTC正溫度系數電阻和熔斷裝置兩大類。

  PTC,當出現過大電流,電阻發熱,溫度積累更促進PTC阻值的上升,當溫度超過一個閾值以后,陡然增大,相當于把故障電芯從總體回路中隔離開來,避免進一步熱失控的發生。

  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。

  兩種保護裝置的區別在于前者可恢復,后者的保護是一次性的,一旦故障發生,系統必須認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,由于其自身結構特點,也由于其型號的標準化,圓柱電芯生產的自動化水平,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,成品率相應得到提高。有數據顯示,三星、松下等國外主要廠家良品率可以達到98%,而我國廠商也可以超過90%。

  優點

  1)如前面所述,單體一致性較好;

  2)單體自身力學性能好,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)技術成熟,成本低,但同時,成本優化的空間也已經消耗的差不多;

  4)單體能量小,發生事故時,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,電池系統的圓柱單體數量都很大,這就使得電池系統復雜度大增,無論機構還是管理系統,相對于其他兩類電池,系統級別的成本圓柱電池偏高;

  2)在溫度環境不均勻條件下,大量電芯特性異化的概率上升,當然,特斯拉之所以在設計之初選擇18650,相信只是個無奈之選,因為10年前,能夠大批量生產的合格動力電池,只有圓柱電池。而電池的安全和熱管理需求,反而是它強大電控系統的研發動力。

  3)能量密度的上升空間已經很小,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,只有死磕材料,公認是一條難走的路。

  Tesila的Model3電池系統帶火了21700

  特斯拉Model3全面啟用21700三元鋰電池,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,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%,系統成本降低9%左右。

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  21700相關廠家和車型

  目前國際上能夠批量生產21700電池的企業屈指可數,除了松下和特斯拉聯合研發的21700電池量產外,先前三星SDI也曾展示相關21700產品,據了解該產品還沒有進行批量生產。

  國內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,遠東福斯特,猛獅新能等。

  隨著南京金龍和北汽的兩款產品公示,8月16日,國家工信部發布《道路機動車輛生產企業及產品公告》(第299批)的車輛新產品公示。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,圖中關于提升比能量的總結可以說很全面了。沿著圖中的思路,如果從化學方法提高電芯比能量,18650前途并不光明。

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  18650鋰離子電池發展面臨的挑戰,面對當前人們不斷提高比能量的現狀,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:

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

  2)新材料制程對環境要求高,固定資產投資高,能耗巨大;

  3)單體電池容量低,PACK成組技術要求和成本偏高;

  4)單體電芯最多適應正單、負雙極耳結構,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,設計空間很小,18650用523+石墨體系,按新國標,1C做到2.4AH已到了設計的極限。

  更大直徑圓柱鋰離子電池將成為必然趨勢,有數據如下圖所示,更大尺寸電芯與18650在極耳設計和卷繞曲率兩個角度進行對比,大尺寸電芯顯示出明顯優勢。

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  總結下來,尺寸從18650提高到21700,獲得好處如下:

  1)適當提高能量密度情況下,可以選擇常規材料,性能穩定、性價比高;

  2)可以適當進行多極耳機構設計,降低內阻;

  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,輔助構件比例降低,降低Pack成本。

  而工信部新頒布的國家標準《GB/T34013-2017電動汽車用動力蓄電池產品規格尺寸》之中,把原來征求意見稿中只有18650和32650修改成了囊括21700在內的4個規格,也算作21700的一個重大利好了。

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  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。

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