18650 vs 21700 鋰離子電池性能和生產(chǎn)成本大比拼

導讀:自從1994年松下公司首次推出18650型號鋰離子電池以來,該型號鋰離子電池已經(jīng)取得了巨大的成功,特斯拉早期推出的Model S、X和3系電動汽車采用的就是由日本松下公司提供的18650電池。近年來為了提高電池包的能量密度,減少電池包內(nèi)電池的數(shù)量,松下公司又推出了容量更大的21700型號鋰離子電池,并應用在最新的Model 3車型上。

近日,德國Zentrumfu?rSonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Wu?rttemberg研究所的Jason B. Quinn(第一作者,通訊作者)和Karsten Richter(通訊作者)詳細對比了18650電池和21700電池在能量、容量、能量密度、內(nèi)阻和熱特性、成本上的差異(參與對比的電池信息如下表所示)。

下圖為電池能量密度與負極的涂布厚度之間的關系,從圖中我們能夠注意到電池的能量密度與負極的涂布厚度之間存在明顯的線性相關,負極的涂布量越高則電池的能量密度越高。同時我們還注意到在相同的負極厚度下,幾種不同結構的電池能量密度是比較接近的,電池的結構對于能量密度的影響比較小。

下圖為18650、20700和21700三種電池的內(nèi)阻與電池能量之間的關系,從圖中我們能夠注意到電池的內(nèi)阻明顯分為了兩大陣營,18650電池陣營,20700和21700陣營,18650電池的內(nèi)阻要明顯高于21700和20700電池。在相同類型的電池中,電池的內(nèi)阻隨著電池能量的增加而逐漸增加,這主要是因為更高的能量意味著更厚的電極,從而導致電子和離子的擴散難度增加,同時隨著電極厚度的增加,電池內(nèi)能夠卷入的電極長度也會縮短,導致電極面積的降低,這都會顯著的增加電池的內(nèi)阻。

下圖為軟包電池、18650、20700和21700電池的內(nèi)阻與電極面積之間的關系,從圖中能夠看到幾種電池的內(nèi)阻與電極面積之間的關系曲線都是相同的,也就是電極面積越大電池的內(nèi)阻越小,因此21700電池內(nèi)阻較低主要是因為其電極面積比較大。

下圖為功率型和能量型的18650、21700電池的倍率性能曲線,功率型和能量型21700電池的電極厚度分別為65um和91um,功率型和能量型的18650電池電極厚度分別為34um和101um。從下圖能夠看到由于能量型電池的電極厚度較厚,因此在大倍率下性能急劇衰降。而電極厚度較薄的功率型鋰離子電池在較大的倍率下性能表現(xiàn)則要好的多,放電能量衰降不大,僅僅是電池的極化出現(xiàn)了一定成的增加。

下圖為功率型和能量型的18650、21700電池在不同放電倍率下的溫升,從圖中能夠看到能量型的電池由于放電過程中損失在極化、歐姆阻抗上的能量比較多,因此電池的溫度升高也要明顯大于功率型的電池。21700電池由于電芯體積比較大,電池比散熱面積較小,因此溫升比較大,18650電池由于電池本身體積比較小,比散熱面積較大,因此在放電的過程中溫升要明顯少于21700電池。

下圖為不同類型的電池在不同放電倍率下的最大溫升,從圖中能夠看到隨著電池尺寸的增大(18650到21700)和電池能量的提升,不同倍率下的最大溫升曲線的斜率也出現(xiàn)了明顯的增加,表明大尺寸和高容量的電池在放電過程中的產(chǎn)熱也更大。

接下來就是兩種電池的成本分析了,我們首先從單體電池層面來看一下電池的成本:

1)兩種電池的電極生產(chǎn)都是相同的,因此在電極生產(chǎn)、電芯卷繞這一部分都是相同;

2)電池殼體,由于21700電池的直徑更大,能夠容納更多的電芯,因此每Wh所需要的外殼,21700電池要比18650電池少33%,因此21700電池的外殼成本低于18650。

3)由于同樣的Wh數(shù)的電池數(shù)量減少33%,因此對注液、封口過程的需求也有所減少,成本有所降低。

4)同樣由于電池總體數(shù)量的降低,對于化成設備的需求也大大減少,提升了效率,降低了成本。

在Pack層面21700同樣具有優(yōu)勢:

1)首先是采用21700電池替代18650電池后,在電池包電量相同的情況下,電池包內(nèi)的單體電池數(shù)量將會大幅減少,降低了電池包結構的復雜程度和pack難度。

2)更少的電池數(shù)量也降低了BMS的監(jiān)控難度。

3)21700電池替換18650電池后并不會降低電池模塊內(nèi)的孔隙率,因此電池包的體積和冷卻結構的數(shù)量是相同。

通過對比18650、20700和21700電池,我們發(fā)現(xiàn)

1)每個21700單體電池包含的能量比18650高50%左右,因此在使用中單體電池的數(shù)量可以大幅的降低;

2)由于21700電池的能量更多,因此生產(chǎn)同樣Wh的電池需要的零部件和設備的數(shù)量減少,有利于降低生產(chǎn)成本;

3)21700電池并不會顯著的提高電池的能量密度,鋰離子電池的能量密度主要還是與電極的涂布量有關。

參考文獻:Energy Density of Cylindrical Li-Ion Cells: A Comparison ofCommercial 18650 to the 21700 Cells