钜大LARGE | 点击量：1327次 | 2021年04月08日
为何特斯拉将用20700代替18650呢？
为何特斯拉会对圆柱电池情有独钟，圆柱电池身上到底有什么优点让特斯拉这个技术男念念不忘呢？小编就以现任情人18650来分析一下。
关于用18650电芯做为新能源电动汽车电池的技术路线，大家首先可能把目光转向特斯拉。特斯拉在进行电池开发时，测试了很多种类的电池，但最后把目标锁定在18650电池，究竟18650的电芯有什么优缺点，让我们来分析18650的真面目。
首先对18650圆柱形锂离子电芯做简要认识
我们日常常说的18650其实是指电池的外形规格，是日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。18650电池原指镍氢电池和锂离子电池，由于镍氢的现在比较少用，所以现在多指锂离子电池。18650锂离子电池单节标称电压一般为：3.6V或3.7V；最小放电终止电压一般为：2.5～2.75V。常见容量为1200～3300mAh。
有关一致性
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池，广泛应用在电子产品中。多年来，日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的相关经验，使得产出的18650电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。
相比之下，层叠式锂离子电池远远没有成熟，常见的有方形电池、软包电池，甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一，电池厂商所具备的生产工艺也不能满足条件，大多数以人为控制为主，电池的一致性达不到18650电池的水准。假如电池的一致性达不到要求，大量电池串、并联形成的电池组的管理也将不能让每个电池的性能更好地发挥，而18650电芯可以解决这一问题。
特斯拉使用的松下18650圆柱电池
总结来说，18650电池的单体容量小，所需的单体数量会很多(ModelS有7104只)，但是一致性很好；层叠式电池的容量可以做得较大(20Ah到60Ah)，单体数量可以降低，但是一致性差。相比之下，现阶段很难投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善层叠式电池的生产工艺。因此，在研发Roadster和ModelS的时候，Tesla的唯一选择是从市场上去购买电池，自行开发电池系统。开发一套管理6000多节单体一致性很好的电池系统与开发一套200多节一致性很差的电池系统，相比之下，前者的技术难度应该更低一些。即使单体电池数目增多，但是假如这些电池的性能是可靠的，管理起来还是容易一些。
比较另一款很成功的纯电动汽车，日产的LEAF，它采用的是层叠式锂离子电池。这是因为日产与NEC合作多年，在电池技术方面积累很深厚，在品质控制方面应该有相当的功力。LEAF的电池来自AESC，日产与NEC的合资公司。
比较下美、日、中等不同地区的汽车厂商在开发电动汽车时与电池厂商的合纵连横是一件非常有意思的事情。
有关散热能力
层叠式电池的厚度薄、表面大，均热、散热能力都不错，因此日产的LEAF很大胆地采用了被动式热管理系统(其实就是不管理！)，由空气的自然对流将热量带走。
从左到右，LEAF从单体，到四节单体电池两并两串组成的电池模块，再到由48个电池模块串联组成的电池组如下图所示：
日产LEAF使用的NEC层叠电池
可以看到，电池组上没有任何的风扇、冷却液管道等热管理系统。大概这就是无招胜有招。
反过来看Tesla，18650电池的个头比较小，在正常充放电时单体电池内部的温差也不会太大。但是，6000多个单体电池的温度也应当保持在不超过5C的范围内，这是一件非常困难的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？参看Tesla的电池管理系统(BMS)相比其他电动汽车有什么优势？
特斯拉电池模组中的液冷系统
如上图，这些管道是冷却液的流道，流道均匀分布在电池模组中间，能让每只电芯能很好地跟水管接触，这样每只电芯在冷却时带走的热量也几乎相同，温差也就可以有效地控制在很小的范围内。
总结来说，由于采用了小容量的18650电池，Tesla的热管理系统的复杂度是大大新增了的。也就是说，假如从散热能力方面考虑，使用小容量的18650电池不是最优选择。
有关能量密度
谈到能量密度，就必须区分单体电池的能量密度与电池组的能量密度。
就单体电池的能量密度来看，18650电池是要高于层叠式锂离子电池。我这里查到的日产LEAF所用的33Ah锂离子电池的能量密度是157Wh/kg，GMVolt所用的层叠式电池的能量密度约为150Wh/kg；而Roadster所用的18650电池的能量密度约为211Wh/kg。但是，18650电池的管理系统更加复杂，由此额外新增的重量会使得电池组的能量密度远低于单体的能量密度。Roadster的电池组重量是450kg，能量密度是118Wh/kg，而LEAF电池组的重量是225kg，能量密度是107Wh/kg。在电池组层次，两者的能量密度已经不相上下。
从Tesla披露的信息看,在现有条件下,其生产的21700电池系统的能量密度在300Wh/kg,相比18650电池系统的250Wh/kg提高了20%。从松下的动力锂离子电池单体的测试数据来看,其21700电池的体积能量密度远高于18650型电池单体。单体电芯能量密度的提升要远高于成组后提升的20%幅度。
由此可见,相比18650型号电池,21700电池的优势如下:
第一，空间利用率变大,电芯单体及系统能量密度都可得到提升。从18650型号切换至21700型号后,电池单体电池容量可以达到3~4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需电池的数量可减少约1/3。
根据《我国制造2025》明确了动力锂电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。目前，我国各电池动力锂离子电池能量密度达到什么水平了呢？
比亚迪：目前，比亚迪磷酸铁锂离子电池的单体能量密度为150Wh，而接下来比亚迪计划将能量密度继续提升到160Wh。除了磷酸铁锂离子电池，比亚迪也在同步开发三元锂离子电池，而假如将三元锂离子电池的技术结合到磷酸铁锂离子电池上，对原有用石墨作为负极材料的做法进行一些调整，那么在2020年左右，比亚迪计划将磷酸铁锂离子电池的单体能量密度提升到200Wh。
另外，在跟进的三元电池方面，比亚迪的三元电池已经具备量产条件，目前能量密度也达到了200Wh/kg。比亚迪三元电池的目标是2018年电池比能量达到240Wh/kg，2020年达到300Wh/kg。
沃特玛：生产的32650圆柱型动力磷酸铁锂离子电池，单体能量密度已经达到145Wh/kg，下一步目标是实现160Wh/kg；三元电池目前能量密度为200Wh/kg，预计到2020年达到300Wh/kg的水平。
国能电池：早在2013年，国能磷酸铁锂和三元电池单体能量密度就达到了160Wh/kg和200Wh/kg。预计2017年年底，磷酸铁锂离子电池单体能量密度将达到180Wh/kg、PACK达到134Wh/kg，三元电池能量密度将突破240Wh/kg。
捷威动力：在能量密度方面，公司目前已经量产的三元软包电池单体比能量达210WH/Kg。在提高电池安全性的基础上，预计2020年公司软包电池单体能量密度可达300WH/Kg，Pack成组后可达220WH/Kg；钛酸锂离子电池单体能量密度达到110WH/Kg以上。
智慧能源：公司量产的动力锂电池单体能量密度可达220Wh/Kg，PACK成组后能量密度达到140Wh/Kg。同时，公司BMS系统可做到5级防护，电池包采用轻量化材料，并进行了结构优化。
比克电池：2016年，比克三元材料动力锂电池行业占比30%以上，位列第一。目前比克单体电芯能量密度近220Wh/kg，后续还将进一步提升至300Wh/kg。
卡耐新能源：卡耐新能源已经可以批量供应能量密度220Wh/kg电芯，系统比能量大于130Wh/kg电芯，同时工艺和技术层面已经分别实现250Wh/kg、技术300Wh/kg产品储备。
超威：消息称超威集团旗下子公司浙江超威创元实业有限公司(以下简称超威创元)在圆柱18650锂电电芯研发方面取得新进展，新研发出的圆柱18650锂电电芯容量一举突破3000mAh大关，达到4050mAh，比能量已超过300wh/kg，提前实现科技部所给出的目标。
超威创元18650-4050mAh电芯比能量可达306Wh/kg，可以说提前完成了科技部2020年的动力锂电池单体比能量300Wh/kg的目标。此款电芯不仅在容量和比能量上有所突破，在其他性能上也很优异。任宁说，这款电芯循环寿命在300次以上(1C100%DOD)，而低温性能和荷电保持能力均已达到国标(GB/T31484、GB/T31486)要求，-20℃条件下1C放电容量大于70%。
有关安全性
前面提到层叠式锂离子电池的各种优点，但它也有一些缺点。由于层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的，而铝塑膜的厚度薄，机械强度差，在汽车发生碰撞等极端情况下，铝塑膜很容易发生破损导致安全事故出现。这也就解释了为何日产要在4个单体组成的电池模块外面再加一个铝壳。
18650电池一般是钢壳，安全性更好；而且前面也提到随着18650电池生产工艺水平的的不断提高，安全性也在不断提高。
Tesla在应对这些18650电池可能出现的安全事故上，也倾注了很多心血。假如一个单体电池出现温度过高等异常情况，根据异常情况的恶劣程度，这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。由于单体容量小，只要不发生蔓延，事故的严重程度将是较低的。
有关成本
18650锂离子电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点，又因为体积小，重量轻，使用方便，深受消费者的青睐。随着人们对18650电池技术研究的不断加深，使得电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。作为最早的锂离子电池，18650电池也是目前世界上最成熟、最稳定的电池组合，至今仍然占据领先位置。我国每年生产18650电池约几十亿节，这一数据远远超出其他材料的电池。
而Tesla采用18650电池，就可以利用日本松下等厂商之前的生产线进行生产。在消费类电子产品所用18650电池竞争日趋激烈的情况下，松下等厂商与Tesla合作升级产品，将原有的生产线改良后用于生产动力锂电池。工业生产有一个规模效应，当生产产品的规模达到一个量级之后，成本会大大降低。一辆新能源汽车就要成千上万节18650电池，因此单体的采购成本可控。
可以说，采用18650、21700等圆柱电池作为新能源电动汽车的动力之源，在现阶段可以说是最优的选择。但是随着电池技术工艺的成熟，未来也会出现更多新型的电池应用在新能源电动汽车上。
从成本来看,根据Tesla披露的电池价格信息,预计21700的动力锂离子电池系统售价为170美元/kWh,相比18650的售价185美元/kWh,价格下降幅度可达8.1%。18650的系统的成本约为171美元/kWh,改用21700后,系统成本约能实现9%左右的降幅,达到155美元/kWh。其五，三元材料占主流，很大一部分原因是受到国外车企的影响。外国车企的新能源汽车绝大多数采用三元锂离子电池，型号多为18650。从286批新车公示中也能看出，绝大部分纯电动物流车采用18650型号的三元锂离子电池。18650锂离子电池单节标称电压一般为3.6V或3.7V；最小放电终止电压一般为2.5～2.75V。常见容量为1200～3300mAh。18650电池但是一致性很好；层叠式电池的容量可以做得较大(20Ah到60Ah)，单体数量可以降低，但是一致性差。相比之下，现阶段很难投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善层叠式电池的生产工艺。
第六、电动物流车因补贴方法对百公里能耗有严格要求，所以要整车轻量化，对应的锂离子电池也要减轻重量，而三元材料的高比能量密度对电池重量的降低具有优势。
