BOYU SPORTS：从技术角度看圆柱型锂电池21700

本文摘要：与软包和方形锂电池比起，18650圆柱形锂电池，是商业化最先，生产自动化程度最低，当前成本低于的一种动力电池。

与软包和方形锂电池比起，18650圆柱形锂电池，是商业化最先，生产自动化程度最低，当前成本低于的一种动力电池。又有Tesla多年夹持，基本维持着与软包和方形电池三分天下的局面。从特斯拉宣告Model3使用21700以后，圆柱电池家族也多出了一个明星成员。

本文一起来想到圆柱电池涉及的几个技术点。下文中不类似声明的，圆柱电池就特指18650。圆柱电池结构注目一下动力电池就不会找到，圆柱18560电池，是被研究的最少，技术辩论最充份的电池品种。

单体主要由负极，负极，隔膜，负极负极集电极，安全阀，过流保护装置，绝缘件和壳体联合构成。壳体，早期钢壳较多，当前以铝壳居多。其中安全阀、PTC如下图右图。

单体过流保护装置，每个厂家的设计并不相同，根据对安全性拒绝的有所不同，价格要去有所不同，可以展开自定义。一般的安全装置主要有PTC于是以温度系数电阻和熔断装置两大类。

PTC，当经常出现过大电流，电阻痉挛，温度累积更加增进PTC阻值的下降，当温度多达一个阈值以后，急剧减小，相等于把故障电芯从总体电路中隔绝出去，防止更进一步热失控的再次发生。熔断装置，原理上就是一个熔丝，遇上过大电流，熔丝熔断，电路被插入。两种保护装置的区别在于前者可恢复，后者的维护是重复使用的，一旦故障再次发生，系统必需指出替换问题电芯才能长时间工作。

圆柱电芯特点圆柱电芯，特别是在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低。这就使得高度一致性沦为有可能，成品率适当获得提升。

有数据表明，三星、松下等国外主要厂家良品率可以超过98％，而我国厂商也可以多达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，与方形和软包电池比起，堵塞的圆柱体，近似于尺寸下，可以取得最低的倾斜强度；3）技术成熟期，成本低，但同时，成本优化的空间也早已消耗的差不多；4）单体能量小，再次发生事故时，形式易于控制，但这一点也正在沦为它被代替的理由（那句风行的话怎么谈，成就你的也将吞噬你，杀死不杀你的也终将使你强劲，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相当大，这就使得电池系统复杂度大幅提高，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）在温度环境不均匀分布条件下，大量电芯特性异化的概率下降，当然，特斯拉之所以在设计之初自由选择18650，坚信只是个不得已之中选，因为10年前，需要大批量生产的合格动力电池，只有圆柱电池。

而电池的安全性和热管理市场需求，反而是它强劲电控系统的研发动力。3）能量密度的下降空间早已较小，2016年的新闻，超威把单体容量做4050mAh，电芯比能量306Wh／kg，此后没看见更高的记录。在既定空间内，只有死磕材料，普遍认为是一条无以回头的路。Tesila的Model3电池系统带火了21700特斯拉Model3全面落成21700三元锂电池，打开了一个圆柱电池提高容量的新阶段。

特斯拉Model3的21700型电池系统，能量密度在300Wh／kg左右，比原本ModelS用于的18650电池能量密度提高20％以上，单体容量提高35％，系统成本减少9％左右。21700涉及厂家和车型目前国际上需要批量生产21700电池的企业屈指可数，除了松下和特斯拉牵头研发的21700电池量产外，先前三星SDI也曾展出涉及21700产品，据理解该产品还没展开批量生产。国内21700厂家，新闻资料表明著手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审批，8月16日，国家工信部公布《道路机动车辆生产企业及产品公告》（第299批）的车辆新产品审批。其中，由南京金龙客车生产有限公司和北汽（常州）汽车有限公司生产的两款显电动厢式运输车（型号为NJL5040XXYBEV25和BJ5040XXYCJ06EV），首度配备了21700三元锂离子电池。从18650到21700，怎么看来升容这件事？自从网上看见这幅图，就总想找机会把它放在文章里，原因无他，图中关于提高比能量的总结可以说道很全面了。

沿着图中的思路，如果从化学方法提升电芯比能量，18650前途并不光明。18650锂离子电池发展面对的挑战，面临当前人们大大提升比能量的现状，如果保持外形尺寸恒定，又要提升能量密度，18650面对诸多挑战：1）新材料如NCA、硅碳等新材料供应链尚能不成熟期，成本高，供应无法平稳，比如更高能量密度的材料811，本身稳定性和制程掌控距离量产有段差距，结果就是短期内811的18650贵很多，性能却劣不少；2）新材料制程对环境拒绝低，固定资产投资低，能耗极大；3）单体电池容量较低，PACK成组技术拒绝和成本偏高；4）单体电芯最多适应环境正单、胜双极耳结构，而且对能量密度影响更为贞着；5）低能量密度与高倍率电池同时拒绝时，设计空间较小，18650用523＋石墨体系，按新的国标，1C做2．4AH已到了设计的无限大。更大直径圆柱锂离子电池将沦为必然趋势，有数据如下图右图，更大尺寸电芯与18650在极耳设计和一维曲率两个角度展开对比，大尺寸电芯表明出有显著优势。总结下来，尺寸从18650提升到21700，取得益处如下：1）必要提升能量密度情况下，可以自由选择常规材料，性能平稳、性价比低；2）可以必要展开多极耳机构设计，减少内阻；3）某种程度能量密度下，可以自由选择慢差使特性石墨，提高慢差使性能；4）必要减少直径和高度可以取得更好的有效地体积。

5）单体电芯容量减小，辅助构件比例减少，减少Pack成本。而工信部新的施行的国家标准《GB／T34013－2017电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》之中，把原本印发稿中只有18650和32650改动出了涵盖21700在内的4个规格，也视作21700的一个根本性受到影响了。提高容量的路径与小单体等价于安全性低的早期观点有冲突。

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