深度剖析21700鋰電池

動力電池熱失控技術研究

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

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。

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。

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。

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。

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。

然而，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。小型鋰離子電池(<150Ah)的熱安全性已經有很多較為成熟的方法進行防控，比如加入PTC、引入電流中斷機制或壓力傳感器等。而大型鋰離子單體電池(>6Ah)或模組(>200Ah)的安全性控制問題仍然存在挑戰。大型動力鋰離子電池相比于小型電池，由于其本身所含能量較高，當出現熱安全性問題時，所帶來的后果會更為嚴重;由于電池體積的增大，造成電池比表面積的減小進而使得電池單位體積散熱面積的降低。電池內部溫度的不一致性也會隨著鋰離子電池的大型化和成組化而出現，這種電池單體之間的溫度差異會使得電池熱失控風險增加，進而導致電池出現一系列問題。

一般認為，如果廠家掌握更為先進的安全管理技術，可以讓風險停留在自身系統的可控范圍內，就可以對沖掉電池單體帶來的風險。反過來也可以說，使用更大容量的電芯去構建系統，理論上是以單體設計和電池pack設計風險管理技術水平的提高為前提的。

容量提升帶來的風險和收益，是業內的顯知識，主機廠是否全面接受，愿意為它讓渡一定的安全性，是21700進一步發展的關鍵一環，個人覺得，這個需要很長一段時間。而生產21700所需要的設備的調整和更新，則受到設備供應商觀點的影響。

圓柱電池的優勢大部分的來自于其規模化，在21700真正規模起來之前，還有B級產品處置問題，這種無法降級使用的尺寸，也是對廠家決心和資金實力的考驗。

單從技術積累角度看，18650被企業和學術單位研究多年，有很多公開數據和資料，比如熱管理模型，比如熱失控預測等等。對于自身研發能力還不完善的小企業來講，也算是一種資源。而21700卻相對空白的多。

對于21700在未來的發展，利好不少，利空也可以隨手羅列。但這都是圓柱電池內部比較。如果再考慮方形電池和軟包電池的競爭，21700的大發展可能并不會很快到來。