從全球視角看，方形/軟包/圓柱三種電池誰能勝出

鋰離子電池商業(yè)化以來,業(yè)界對鋰電池的三種封裝路線:方形、軟包和圓柱,孰優(yōu)孰劣的爭論從未停止。這三種電池中,有絕對的贏家嗎?

從全球市場和技術(shù)特征來看,下一代動力電池商業(yè)化之前,方形、軟包和圓柱電池將并存于電動汽車市場。全固態(tài)電池技術(shù)成熟后,軟包電池的優(yōu)勢會進一步顯現(xiàn),不過,這將是一段漫長的過程。

觀市場:方形勢強,圓柱緊隨軟包

目前,市場上的鋰離子動力電池按照外形,或者封裝方式可以分為方形、軟包、圓柱三種。

從左至右依次是圓柱電池、方形電池和軟包電池

在汽車生產(chǎn)商和電池制造商的長期磨合中(也可能是車廠自己造電池),不少企業(yè)都形成了自己比較擅長的電池封裝路線,下表列出了全球主要新能源汽車車型應(yīng)用的電池類型。

來源:《電動汽車觀察家》整理

從全球范圍來看,搭載方形電池的車型多于軟包電池,圓柱電池應(yīng)用的數(shù)量最少。方形電池覆蓋了中、日、韓電池企業(yè),軟包電池以中、韓電池生廠商為主,圓柱電池供應(yīng)商絕大多數(shù)是中、日企業(yè)。

麥肯錫:方形/軟包/圓柱沒有絕對贏家

市場占有率高低能代表三種不同封裝方式的優(yōu)勢大小嗎?麥肯錫公司一項調(diào)查得出的答案是,不能。

2017年10月,麥肯錫和美國汽車評估公司A2Mac1將十款主流電動汽車拆解,并對電池等核心零部件做了評估,十款車型涵蓋了方形、軟包和圓柱三種電池。

調(diào)查車型包括:2011版日產(chǎn)聆風、2013版大眾e-up!、2013版特斯拉Model S、2014版雪佛蘭Spark、2014版寶馬i3、2015版大眾e-Golf、2015版比亞迪e6、2017版日產(chǎn)聆風、2017版雪佛蘭Bolt和 2017版歐寶Ampera-e。

麥肯錫指出,三種形狀電池的優(yōu)點和缺點都很顯著,就不同電池對電動車性能的影響而言,沒有絕對贏家。相比電池封裝方式,是否是正向研發(fā)對電動車的程價比影響更大。

不同電動車程價比水平,來源:麥肯錫

調(diào)查結(jié)果顯示,在十款車型中,圓柱電池的電芯能量密度最高,接近245瓦時/公斤,緊隨其后的是195瓦時/公斤的軟包電池和160瓦時/公斤的方形電池。系統(tǒng)能量密度方面,三種電池的差距不大,圓柱、軟包和方形電池分別為132瓦時/公斤、138瓦時/公斤和104瓦時/公斤。

另外,從 2011 年到 2018 年的七年間,這三種封裝方式的電芯能量密度均實現(xiàn)了30%以上的增長。

那么,既然三種封裝方式并沒有明顯的優(yōu)劣之分,為何市場占有比例會有較大差別?

一位電池企業(yè)技術(shù)負責人表示,選擇哪種電池,主要原因是企業(yè)對電池綜合性能的平衡和車型設(shè)計偏好不同。綜合性能包括:能量密度、安全系數(shù)、生產(chǎn)效率、壽命長短、生產(chǎn)成本、充放電倍率、產(chǎn)品一致性和工藝難度等,它們密切相關(guān),又相互牽制。

用以上技術(shù)負責人的話來說,控制這些性能“就像用一只手抓著一個已經(jīng)很大的氣球,任何一根手指用力過度,氣球的另一端都可能因承受不住壓力爆掉”。所有企業(yè)都要在這幾項性能間尋得平衡——而這并非易事。

能量密度越高,軟包優(yōu)勢越大

不同于主要使用不銹鋼外殼或鋁制外殼的方形電池和圓柱電池,軟包電池多使用更輕更薄的鋁塑膜,重量輕,能量密度大。

不過,上述技術(shù)負責人指出,由于單體沒有金屬外殼,軟包電池的高能量密度,主要體現(xiàn)在電芯上,但單體的殼的重量其實轉(zhuǎn)嫁到了模塊上,到最終產(chǎn)品的電池包,軟包電池的能量密度優(yōu)勢不一定能體現(xiàn)出來。

在一位動力電池技術(shù)專家看來,軟包電池的能量密度優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在做到300瓦時/公斤的水平時。他認為,圓柱和方形電池要做到230-240瓦時/公斤都沒有問題,軟包的能量密度會稍微高一些;但能量密度繼續(xù)提升時,軟包電池的優(yōu)勢就更加明顯了。

同等情況下,方形電池的能量密度普遍比軟包電池低20-30瓦時/公斤,如果軟包達到300瓦時/公斤,方形只能達到270瓦時/公斤左右。因此,企業(yè)在實驗室中開發(fā)高能量密度產(chǎn)品時,軟包成為主流的選擇。

為什么能量密度越高,軟包的優(yōu)勢越突出?

上述專家表示,對企業(yè)而言,除了提高能量密度,還必須考慮循環(huán)、安全和生產(chǎn)效率等因素。由于軟包的鋁塑膜外包裝很輕,70-80安時的電芯就能做到300瓦時/公斤的能量密度,方形電池受限于外包裝重量大,能量密度要做到300瓦時/公斤,電芯容量就會達到200安時左右,這樣一來,技術(shù)難度加大了,生產(chǎn)效率降低了,劣勢比較明顯。

PNNL研發(fā)的300瓦時/公斤的軟包電池

PNNL研發(fā)的300瓦時/公斤的軟包電池構(gòu)成

2018年6月,美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)發(fā)布報告稱,該實驗室與布魯克海文國家實驗室(BNL) 、斯坦福直線加速器中心(SLAC)、斯坦福大學、通用汽車和納維塔斯系統(tǒng)公司(Navitas Systems)等已經(jīng)合作開發(fā)出能量密度大于300瓦時/公斤的鋰金屬軟包電池,并且實現(xiàn)了100次以上的穩(wěn)定循環(huán)。

未來,這些機構(gòu)還計劃開發(fā)能量密度達到500瓦時/公斤的軟包電池。

軟包最安全?相對的

安全系數(shù)較高也是軟包電池的一項優(yōu)勢。

上述技術(shù)專家指出,由于外包裝采用的多是鋁塑膜,一旦內(nèi)部出現(xiàn)問題,軟包電池就會出現(xiàn)鼓脹,從電池表面最薄弱的部位鼓開,但不會發(fā)生爆炸。通常,電池單體越大,安全越難保證,尤其是方形電池的安全系數(shù)比軟包電池和圓柱電池都要低。

發(fā)生鼓脹的軟包電池

但軟包電池的安全性是相對的。上述技術(shù)負責人認為,雖然軟包電池不易發(fā)生爆炸,但在能量密度比較高時,燃燒也會十分迅速、劇烈。相比之下,圓柱電池的安全性可能更勝一籌,最典型的例子就是特斯拉選用的18650圓柱電池。

特斯拉的18650圓柱電池

特斯拉Model S 的電池包由7000多枚18650圓柱電池組成,每個電池單體整齊地封裝在金屬槽中,這種布置最大限度地減少了由機械振動、熱循環(huán)和充放電導(dǎo)致的單體破損。

特斯拉Model S的電池包

由于電池單體體積小,能量也小,每個單體之間還留有空隙,散熱性較好。如果要求單體的問題不會對整個系統(tǒng)造成損害,目前來看,圓柱是唯一的方案。從系統(tǒng)角度來講,圓柱電池的安全系數(shù)大于軟包電池,軟包大于方形。

當然,由于電池單體容量較小,要達到一定的動力性能,電池的總量必然巨大,這就對電池系統(tǒng)的連接和熱管理技術(shù)提出了極高要求。因此,圓柱電池路線讓不少車企望而卻步。

寶馬集團主管技術(shù)及研發(fā)的傅樂希(Klaus Fr·hlich)明確表示,方形電池結(jié)構(gòu)緊湊,而且不容易受外力損壞,是寶馬選擇方形電池的主要原因,未來也可能選擇軟包電池,圓柱電池則不在寶馬的選擇范圍之內(nèi),因為電池冷卻和成組的挑戰(zhàn)更大,“如果圓柱電池要達到與軟包和方形同樣的能量密度,必須有更激進的電池材料方案,有多方面的風險。”

目前,寶馬i3、寶馬i8、寶馬X5插混版、寶馬X6插混版和寶馬Active混動版搭載的都是三星SDI供應(yīng)的方形電池。

硬幣的兩面:靈活度OR生產(chǎn)效率

設(shè)計靈活,是方形電池和軟包電池共有的優(yōu)勢。尤其是軟包電池,理論上可以做成任意形狀。硬幣的另一面,是標準化程度和生產(chǎn)效率低,以及隨之而來的生產(chǎn)工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本高和品控不佳問題。

曾經(jīng)風光無限的菲斯科卡瑪電動車走向沒落,直接原因就是電池產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)。

A123 System的電池產(chǎn)品

2011年7月,菲斯科卡瑪正式上市,由于其電池供應(yīng)商A123 System生產(chǎn)的方形電池存在缺陷,僅僅5個月后,菲斯科被迫召回239輛卡瑪。2012年10月,A123 System宣布破產(chǎn),直接導(dǎo)致卡瑪停產(chǎn),第二款車型開發(fā)中斷。

遭遇類似問題的還有三菱歐藍德。

2013年3月,三菱歐藍德插混版在日本上市,4個月后,車輛搭載的電池出現(xiàn)融化現(xiàn)象,三菱汽車隨即召回全部歐藍德插混版。存在缺陷的方形電池來自三菱汽車、三菱商事與GS湯淺合資成立的LEJ公司。不但如此,由于LEJ電池產(chǎn)能不足,三菱方面被迫延遲了歐藍德混動版在美國的上市時間。

三菱歐藍德混動版的電池包

分析人士認為,菲斯科的倒掉和三菱歐藍德遭遇的市場問題,與車廠的電池路線選擇有很大關(guān)系,由于電池制造商為卡瑪和歐藍德混動版提供的電池標準化程度低,獨家供應(yīng)商一旦出現(xiàn)問題,難以快速找到合適的電池產(chǎn)品替代,最終導(dǎo)致產(chǎn)品召回,甚至企業(yè)難以為繼。

軟包電池也難逃品控難的困擾。

墨爾本大學工程學院電動汽車專家、澳大利亞電動汽車委員會成員Bryce Gaton認為,雖然軟包電池擁有能量密度高的優(yōu)勢,但電池包的冷卻要求極高的工藝技術(shù)。在他看來,日產(chǎn)方面避而不談聆風的冷卻系統(tǒng),一定程度在于其軟包電池的熱管理系統(tǒng)操控不佳。

Bryce Gaton指的是聆風從第一代產(chǎn)品開始采用的風冷系統(tǒng)(被動冷卻系統(tǒng))。雖然日產(chǎn)方面曾表示,新款聆風有可能應(yīng)用主動冷卻系統(tǒng),但2018版聆風使用的依舊是被動冷卻系統(tǒng),電池容量加大了,冷卻系統(tǒng)卻沒有升級,這樣一來,極易引起電池過熱,影響快充效率。對于聆風用戶的質(zhì)疑,日產(chǎn)方面一直沒有正面回應(yīng)。

此外,方形、軟包和圓柱電池的差異性還體現(xiàn)在壽命、成本和充放電倍率等方面。業(yè)內(nèi)人士認為,理論上,三種封裝方式的這些性能略有差異,但在主流車型上,都可以達到行業(yè)標準,并不存在明顯區(qū)別。

不同封裝路線的性能差異

就目前的技術(shù)水平來看,全優(yōu)的封裝路線是不存在的,一項指標的提升可能要以犧牲另一項或幾項指標為代價,選擇哪種封裝方式,主要看企業(yè)對這幾項性能如何取舍。此外,車型偏好也是決定車企電池封裝路線的重要因素。

能“塞”進去的就是好電池

汽車是差異化產(chǎn)品,不同車型對封裝技術(shù)的影響很大。車企及其電池供應(yīng)商會不斷嘗試,尋找最高效、合理的電池包放置方式。

沃藍達的T型電池包

沃藍達可以說是為實現(xiàn)電池布局,使得車內(nèi)空間大打折扣的“反面教材”。由于沃藍達的電池包是T型結(jié)構(gòu),方形電池無法“塞”入,只能搭載軟包電池,這是通用汽車選擇LG化學為電池供應(yīng)商的重要原因。

T型電池結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沃藍達內(nèi)部空間縮小

一方面,T型結(jié)構(gòu)讓沃藍達的電池包受到更好的保護,即使底盤被剮蹭,也不容易傷及電池包;另一方面,這種構(gòu)造導(dǎo)致后排中間形成隆起,通用干脆把扶手箱和杯架連到了后排座椅位置,硬是把五座車變成了四座車,被不少消費者詬病。

與沃藍達不同,特斯拉選擇將電池包掛在底盤位置,這樣的布局雖然沒有損失車內(nèi)空間,但將電池包置于比較“脆弱”的境地,一旦底盤發(fā)生剮蹭難免殃及電池包。

可以說,由于不同車型為電池包預(yù)留的形狀各異,采用的電池封裝方式也不盡相同,同一車企可能選取多種電池類型,另一方面,不把全部雞蛋放在一個籃子里,一旦某家電池供應(yīng)商出了問題,也不會讓全線產(chǎn)品受到影響。

與此同時,電池制造商的產(chǎn)品路線也在不斷拓展。

以三星SDI為例,這家為寶馬、奧迪、克萊斯勒等車企提供方形電池的企業(yè),在2017年北美國際汽車展上,展出了21700圓柱電池,并稱將于2021年實現(xiàn)量產(chǎn)。外界普遍將三星SDI此舉看做對特斯拉“2170”圓柱電池的挑戰(zhàn)。

與18650圓柱電池的命名規(guī)則相同,21700代表電池的直徑為21毫米,長度為70毫米,第二個“0”代表柱型。特斯拉別出心裁低把這種電池命名為“2170”,馬斯克宣稱2170將是全球能量密度最高、價格最便宜的電池,能量密度可以達到300瓦時/公斤,比18650的233瓦時/公斤提高了近20%。

另外,作為特斯拉的獨家電池單體供應(yīng)商,松下一方面繼續(xù)與特斯拉合作,計劃2018年底將其超級工廠Gigafactory的21700動力電池產(chǎn)量增加30%以上,另一方面,宣布與豐田研究合作開發(fā)方形電池的可行性,并在豐田旗下電動車型上大規(guī)模應(yīng)用。

下一代動力電池如何影響封裝路線?

在現(xiàn)有技術(shù)條件下,三種封裝方式?jīng)]有優(yōu)劣之分。那么,下一代動力電池會改變這種格局嗎?

下一代動力電池,目前來說,主要指固態(tài)電池,是將傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解液和隔膜替換為固態(tài)電解質(zhì)的電池,通常以鋰金屬為負極,也可能是石墨類及其他復(fù)合材料。與目前使用的電池相比,固態(tài)電池具有安全性高、循環(huán)壽命和續(xù)航里程長等優(yōu)點。

豐田展示的軟包全固態(tài)電池

基于固態(tài)電池的種種優(yōu)勢,今年6月,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)宣布,松下、豐田、本田和日產(chǎn)等23家企業(yè),以及京都大學等15家學術(shù)機構(gòu)將合作研究全固態(tài)電池,計劃到2022年全面掌握相關(guān)技術(shù)。

一個月之后,大眾集團宣布向加州初創(chuàng)公司QuantumScape注資1億美元,用于固態(tài)電池的開發(fā)和量產(chǎn)。大眾集團CEO Herbert Diess表示,公司正考慮生產(chǎn)自己的固態(tài)電池,計劃2024年至2025年間量產(chǎn),以減少對亞洲電池供應(yīng)商的依賴。

巨頭們紛紛加碼固態(tài)電池研發(fā),哪種封裝路線會勝出呢?

上述技術(shù)專家認為,由于使用固態(tài)電解質(zhì),柔軟性不足,只能使用疊片方式,因此,固態(tài)電池不可能選擇圓柱封裝方式;理論上,使用方形封裝是可以實現(xiàn)的,但如果方形電池依舊是鋁制外殼,能量密度就會大大降低,因此也不具備優(yōu)勢;目前來看,軟包技術(shù)最適合真正意義上的固態(tài)電池,即純固態(tài)電池。

但是,由于工藝難度大,純固態(tài)電池的市場化應(yīng)用還是將來時。雖然寶馬也已著手開發(fā)固態(tài)電池技術(shù),但Klaus Fr·hlich表示,受限于技術(shù)條件,固態(tài)電池應(yīng)用于量產(chǎn)車型,至少要等到2025年。上述技術(shù)專家的看法更加謹慎,他認為,純固態(tài)電池的商業(yè)化至少還需要十年。

以此判斷,十年之內(nèi),方形、軟包和圓柱路線將共存,在不同車型上發(fā)揮各自的優(yōu)勢。在這期間,尋找最好的封裝路線,不過是在上述多項指標間求得最大的平衡。