扁矮胖長，動力電池奇形怪狀演進(jìn)史

圓的，方的，扁的，長的，車用動力電池形狀差異巨大。

尺寸的種類更加繁多。僅2017年，中國國家推薦標(biāo)準(zhǔn)中的《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》就多達(dá)145種。

與之相對應(yīng)的是，歐洲的VDA標(biāo)準(zhǔn)，2012年左右出臺的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為10種，其中方形電池5種、圓柱1種、軟包電池4種。

這么多電池規(guī)格，多年來各自發(fā)展，到現(xiàn)在，仍然還紛繁復(fù)雜。

不過，熙熙攘攘之間，仍然可見流向。

隨著電池產(chǎn)業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)的合作加深，對于車用動力電池場景、需求的把握，以及高標(biāo)準(zhǔn)電池制造工藝的引入，動力電池在形態(tài)上，出現(xiàn)了幾個明顯趨勢：

·電芯變大：比如圓柱從18650，到21700，再到4680演進(jìn)；方形電池要么走向長薄條（比亞迪的刀片和蜂巢的短刀），要么走向又厚又長的方塊；軟包從適用VDA模組，到MEB的590模組……

·結(jié)構(gòu)變強(qiáng)：像特斯拉的4680，以及比亞迪、寧德時(shí)代、蜂巢的電芯或者采用CTP，甚至考慮CTC，電芯成為整車的結(jié)構(gòu)件。

·能量密度和成本、安全拉鋸：隨著續(xù)航里程的提升，車企不再一味追求能量密度，而試圖在成本和安全性上均衡考慮。

為什么有這些趨勢？電芯會一直變大嗎？

《電動汽車觀察家》特地訪談了業(yè)內(nèi)十余位專家和企業(yè)相關(guān)負(fù)責(zé)人，試圖還原出動力電池單體規(guī)格的演進(jìn)歷程，并嘗試總結(jié)其中規(guī)律，幫我們預(yù)判未來電池規(guī)格進(jìn)化方向。

注： 本文中尺寸單位皆為mm。

01

圓柱：消費(fèi)類電池的直接應(yīng)用

電動汽車其實(shí)比燃油車更早被發(fā)明出來，但是，由于內(nèi)燃機(jī)的高速發(fā)展，電池驅(qū)動的車輛被拋在了歷史車輪之后。

不過，車企從未放棄電動汽車。上世紀(jì)90年代，標(biāo)致、通用、日產(chǎn)等企業(yè)還在不斷嘗試用電池驅(qū)動汽車。（具體內(nèi)容參見“車用動力電池簡史”，配合食用更佳。）

到了21世紀(jì)，初步競爭有了結(jié)果。能夠量產(chǎn)，并有一定影響力的只有日產(chǎn)和特斯拉。而日產(chǎn)和特斯拉，一開始都將圓柱電池作為首選形狀。

日產(chǎn)的電動汽車大家會想到聆風(fēng)。其實(shí)，更早的日產(chǎn)電動汽車叫Prairie Joy EV，也用圓柱電池，只是遠(yuǎn)沒有特斯拉量產(chǎn)的Roadster名氣大。

Roadster

就從特斯拉開始講起。

（1）圓柱——特斯拉的首選

特斯拉首款車——電動超跑Roadster，在眾多電池中，選中了穩(wěn)定性和成本最優(yōu)的18650電池。

1991年，日本索尼公司發(fā)明了18650電池。這是全球首個商用鋰離子電池。為了節(jié)省成本，索尼將這種鋰離子電池型號定為18650，其中18表示直徑為18，65表示長度為65，0表示為圓柱形電池。

圓柱電芯是電池領(lǐng)域最為古老的形狀，其工藝當(dāng)時(shí)最成熟、成本也最低。

這一型號電池的誕生，或許是偶然，但是趕上3C、小家電產(chǎn)品市場的爆發(fā)，該型號的流行則成為了必然。

該型號一經(jīng)面世，就被日韓各大電池企業(yè)競相量產(chǎn)，成為消費(fèi)電子領(lǐng)域最暢銷的電池型號之一。

特斯拉的創(chuàng)始人之一馬丁·艾伯哈德，是一個跑車愛好者，同時(shí)對于美國石油對中東的進(jìn)口依賴以及對于全球氣候變暖有著深刻的擔(dān)憂。這最終促使他與馬克·塔彭寧共同創(chuàng)立特斯拉。

兩位創(chuàng)始人對電池并沒有自研和生產(chǎn)的能力，唯一的選擇就是去市場上選取合適的電池。經(jīng)過神農(nóng)嘗百草般的試用，選中了18650圓柱電芯。

經(jīng)過仔細(xì)對比，當(dāng)時(shí)的特斯拉電池技術(shù)總監(jiān)Kurt Kelty認(rèn)為，松下的18650電池在能量密度、循環(huán)穩(wěn)定，以及批次重復(fù)性上有絕對優(yōu)勢。

但是松下方面則認(rèn)為，筆記本電腦根本無法應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，進(jìn)而拒絕了特斯拉。

不死心的特斯拉將電芯拼成組，拿去給松下看。

松下方面雖然看到了可行性，但是仍然認(rèn)為電池成組后，安全隱患很大，再次拒絕特斯拉。

直到特斯拉拿出了電池的冷卻方案，松下才勉強(qiáng)答應(yīng)，但同時(shí)約法三章：1．特斯拉不能對外宣稱電池供貨商是松下；2．出現(xiàn)問題概不負(fù)責(zé)。

2009年，松下押注的離子電視業(yè)務(wù)失敗，損失了40億美元。急于通過新業(yè)務(wù)將自身拉出泥潭的松下，堅(jiān)定了與特斯拉的合作意愿。

從這番拉扯可以看出，松下方面，根本不認(rèn)為消費(fèi)類電池真能夠用在車上。

好在特斯拉憑借強(qiáng)大的電池成組技術(shù)，基本做到安全和性能兼顧，從而一炮打響。

隨著松下對特斯拉之間的合作越加深入，雙方開始在電池設(shè)計(jì)層面和材料層面進(jìn)行改進(jìn)。

毫無疑問，從消費(fèi)電池直接拿過用的18650，有太多改進(jìn)空間。一個簡單的邏輯就是將電池尺寸放大，減輕成組的復(fù)雜程度，提升能量密度，同時(shí)還要保證原有的良品率。

另外，材料方面，負(fù)極材料改用含硅的硅碳復(fù)合材料，以提升能量密度。

由此，21700電池便隨之誕生，相比18650更“胖”了許多，個子也略高。

如果將18650比喻成“小學(xué)生”，21700進(jìn)入到“中學(xué)生”階段，體積、容量和能量密度都明顯提升。

2016年一季度開始，美國內(nèi)華達(dá)州建造超級工廠Gigafactory開始生產(chǎn)21700。

當(dāng)時(shí)松下為Model 3獨(dú)供這款電芯。特斯拉Model 3通過采用這款電芯，有效提高了能量密度和容量，減少了電芯數(shù)量和 PACK 附件，輕量化升級從而帶動了整車成本和價(jià)格下降。

松下最先為特斯拉提供的18650電池受限于體積和關(guān)鍵組件，容量普遍在2．2－3．6Ah之間，而21700初代就能做到4．8Ah，并向著5—5．3Ah的容量發(fā)展。

相比于18650電池，21700提高了約20％能量密度，接近300Wh／kg。

而隨著特斯拉逐漸做大，松下的產(chǎn)能和利潤都沒能跟上，積怨已深的雙方，發(fā)生了齟齬。2019年，特斯拉和松下的口水戰(zhàn)成為輿論關(guān)注的焦點(diǎn)。

此時(shí)的特斯拉意識到，僅依靠第三方供應(yīng)商，或許很難跟上他們的速度和成本要求。出于對核心零部件的掌控和增加談判籌碼等方面的考慮，特斯拉自研電池的計(jì)劃加緊推進(jìn)。

沒想到的是，特斯拉不僅堅(jiān)決自研，而且很快扔出“王炸”級別的產(chǎn)品。

2020年9月，特斯拉在電池日上發(fā)布了4680圓柱電池，單顆電芯的容量相比21700提高5倍。

圓柱電芯再次變“胖”，個子還是只高了一點(diǎn)點(diǎn)。

4680

此時(shí)，圓柱電芯進(jìn)入到“大學(xué)生”階段，相比21700，4680的成本進(jìn)一步降低，容量、功率等再次大幅提升。

成本方面，由于電池組所需電池?cái)?shù)量減少，金屬外殼占比減少，結(jié)構(gòu)件和焊接數(shù)量也顯著減少，成本隨之下降，相比21700電池降低14％。

在性能方面，4680電池創(chuàng)新的采用了全極耳技術(shù)使電池電流通路變寬，內(nèi)阻大幅減少，內(nèi)部損耗隨之降低，進(jìn)而大幅提升了電池功率，6倍于21700電池。

2月19日，特斯拉通過官方社交平臺宣布，今年1月份，其已生產(chǎn)出第100萬塊4680電池。

之前特斯拉CEO馬斯克在電話會議上表示，4680電池將在2022年第一季度率先用于Model Y車型。

除了特斯拉，松下、LG等企業(yè)都在研發(fā)生產(chǎn)這一型號電池，以供應(yīng)全球第一大電動車企。

（2）中國圓柱采用跟隨戰(zhàn)略

并不是只有特斯拉在嘗試用圓柱電池來造電動汽車。

1998年，在特斯拉還沒有成立時(shí)，中國的老牌電池企業(yè)——天津力神，已經(jīng)建成30萬支18650電池產(chǎn)能。不過此時(shí)的產(chǎn)能，針對的還是手機(jī)等3C產(chǎn)品。

在看到特斯拉應(yīng)用18650成功后，中國企業(yè)也加快了18650的車用化。

2012年，力神的18650電芯率先實(shí)現(xiàn)裝車銷售，搭載在江淮的iEV2，只有100輛；2014年，開始搭載在康迪上；2015年又批量搭載江淮的iEV5上。

在同一時(shí)期，中國的比克電池也開始摸索將18650電池應(yīng)用在車輛上。2010年，比克跟東風(fēng)合作，供應(yīng)電池為臺灣花博會會務(wù)車輛提供動力驅(qū)動；同年，這款電池與北汽福田合作，成為北京市新能源出租車示范車型。

2014年，比克又將2．4Ah圓柱18650電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

在中國大力推動新能源汽車背景下，看到商機(jī)的韓國電池企業(yè)紛紛進(jìn)駐中國，2014年三星SDI在西安建廠，同樣選擇18650圓柱電池路線，次年開始向江淮汽車供應(yīng)。

在特斯拉采用21700后，中國以力神電池為代表的企業(yè)也開始引入該型號。2017年，力神的21700率先量產(chǎn)，并搭載在一款純電動物流車上。

在21700電池崛起的同時(shí)，以國軒高科為代表的企業(yè)也開發(fā)出32131、32135尺寸15Ah的磷酸鐵鋰圓柱電芯。目前國軒高科32mm直徑產(chǎn)品，主要應(yīng)用在北汽、江淮、奇瑞等小車上。

再后來，在特斯拉引領(lǐng)下，4680也引入中國，億緯鋰能、比克等企業(yè)都在追隨這一路線，試圖供應(yīng)給特斯拉或者其他大圓柱路線的車企。

（3）圓柱電芯成組難度大

圓柱電芯運(yùn)用最為出色的特斯拉，其第一款量產(chǎn)的Roadster的模組，也是豐田汽車幫助設(shè)計(jì)的。

但是豐田自身選擇的方向卻是方形電池，未選擇應(yīng)用圓柱電芯。由此可見，當(dāng)時(shí)的小圓柱電芯并非車企首選。

在中國，也僅江淮汽車算是圓柱電池的最忠實(shí)的用戶。

一位CATL的前工程師宋先生告訴《電動汽車觀察家》，理論上圓柱電芯應(yīng)該是成本最低的方案，但難在成組，特斯拉當(dāng)時(shí)采用的是鋁絲鍵合工藝，這種工藝在十多年前主要用于電子行業(yè)，當(dāng)時(shí)國內(nèi)并沒有汽車零部件企業(yè)能做。

“當(dāng)時(shí)企業(yè)的思路就是沖壓一個鋁排或銅牌，然后對應(yīng)電芯的極柱點(diǎn)，把母排對應(yīng)的點(diǎn)壓下去與電芯激光焊接，但是這種設(shè)計(jì)很容易出現(xiàn)漏焊或脫落的情況。”宋先生說道。

宋先生回憶說，其實(shí)車企完全也可以讓供應(yīng)商想出辦法來解決，例如用多層塑料框架將多個電芯頭尾串聯(lián)成一個長模組。但受制于當(dāng)時(shí)的歷史環(huán)境，絕大部分設(shè)計(jì)都沒有充分利用當(dāng)時(shí)有限的包內(nèi)體積，導(dǎo)致圓柱電池的優(yōu)勢完全沒有發(fā)揮出來。

宋先生認(rèn)為，2015年前，中國的車企對汽車電氣化和新能源汽車的反應(yīng)也相對遲鈍，沒有正兒八經(jīng)的去研究、改進(jìn)。

在宋先生看來，當(dāng)時(shí)車企高層將大部分精力放在了賺錢的合資車領(lǐng)域，對于新能源汽車這種政治任務(wù)主觀能動性都不強(qiáng)?！霸诋?dāng)時(shí)量少的情況下，供應(yīng)商也很難配合，開模成本很高，早期完全不能攤銷出去。”

“2012－2014年，新能源汽車沒有放量，采用圓柱電池的電動汽車沒有做起來，僅僅有北汽，江淮，奇瑞等車企做了一點(diǎn)點(diǎn)嘗試性的采用圓柱電芯的樣車。等到2016－2017年，電動汽車開始上量時(shí)，因?yàn)檎吆碗娦緩S商等多種原因，電芯又被寧德時(shí)代和比亞迪壟斷了市場。”宋先生說。

此外，宋先生認(rèn)為，圓柱電池在中國電動汽車高速發(fā)展期也沒發(fā)展起來，還有一個原因，即圓柱電池成組時(shí)，電池排布上會留下很多“死”空間，體積利用效率較低，不利于體積能量密度的提升。

即使現(xiàn)在，中國市場圓柱電池占比提升，也是由于特斯拉的應(yīng)用拉動；隨著特斯拉寧德時(shí)代磷酸鐵鋰方形電池的應(yīng)用于特斯拉，圓柱電池的占比再次回落。