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从技术角度看圆柱型锂电池21700

作者/来源:中国新能源汽车网-h
2018-04-06 12:24:30

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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

来源:动力电池技术


来源:中国新能源汽车网-h

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