1.2.5 鋰電池的外形分類

按外形分類鋰電池有方形、圓柱形和薄片形三種類型。方形鋰電池種類較多，主要應(yīng)用于手機、數(shù)碼相機等領(lǐng)域；圓柱形鋰電池目前有18650（18mm×65mm）、26650（26mm×65mm）、21700（21mm×70mm）三種型號，主要應(yīng)用于筆記本計算機和電動工具領(lǐng)域；薄片形鋰電池可滿足計算機、攝像機薄型化的要求。

1. 方形

一個典型的方形鋰電池主要組成部件包括頂蓋、殼體、正極板、負(fù)極板、隔膜組成的疊片或者卷繞、絕緣件和安全組件等。其中，包括兩個安全結(jié)構(gòu)：針刺安全保護裝置（Nail Safety Device，NSD）和過充電保護裝置（Overcharge Safety Device，OSD）。NSD是在卷芯的最外面加上了金屬層，例如銅薄片。當(dāng)針刺發(fā)生時，在針刺位置產(chǎn)生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低，這樣可以防止針刺位置局部過熱，緩減電池?zé)崾Э匕l(fā)生。OSD安全設(shè)計目前在很多電池上都能看到，一般是一個金屬薄片配合熔體（Fuse）使用，熔體可以設(shè)計到正極集流體上，過充電時電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力使得OSD觸發(fā)內(nèi)部短路，產(chǎn)生瞬間大電流，使熔體熔斷，從而切斷電池內(nèi)部電流回路。殼體一般為鋼殼或者鋁殼，隨著市場對能量密度追求的驅(qū)動以及生產(chǎn)工藝的進步，鋁殼逐漸成為主流。

優(yōu)點：方形鋰電池封裝可靠度高；系統(tǒng)能量效率高；相對重量輕，能量密度較高；結(jié)構(gòu)較為簡單，擴容相對方便，是當(dāng)前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項；單體容量大，則系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，使得對單體的逐一監(jiān)控成為可能；系統(tǒng)簡單帶來的另外一個好處是穩(wěn)定性相對好。

缺點：由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一；生產(chǎn)自動化水平不高，單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠(yuǎn)低于單體壽命的問題。國家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34013—2017《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》中針對方形鋰電池給出了8個系列的尺寸。

對電芯規(guī)格尺寸做出引導(dǎo)，短期也許沒有特別明顯的效果，甚至有人覺得給出指導(dǎo)意見會束縛行業(yè)發(fā)展，而且改變產(chǎn)品尺寸對電芯生產(chǎn)來說，不僅僅是工裝模具的問題，其影響甚大。但作為一個推薦標(biāo)準(zhǔn)，只要能夠給籌備新生產(chǎn)能力和做產(chǎn)線調(diào)整的廠家一個傾向，長期來看必然對規(guī)格尺寸逐漸向系列化方向發(fā)展有推動作用。而電芯和模塊的一致性，是真正實現(xiàn)梯次利用的前提。

方形鋰電池相對圓柱電芯要更容易把容量做大，在提升容量的過程中受到的限制也比較少。系統(tǒng)內(nèi)電芯數(shù)量少，這應(yīng)該是方形鋰電池重要的競爭力之一。但隨著單體體積的增加，也出現(xiàn)了一些問題，比如側(cè)面鼓脹嚴(yán)重、散熱困難且不均勻性增大，對其發(fā)展形成阻礙。下面介紹方形鋰電池的典型問題和應(yīng)對。

（1）側(cè)面鼓脹問題 鋰電池在充放電過程中電池的內(nèi)部存在一定的壓強（經(jīng)驗數(shù)據(jù)為0.3～0.6MPa），在相同的壓強下，受力面積越大，電池殼壁的變形越嚴(yán)重。在液態(tài)鋰電池首次充放電過程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。形成的層鈍化膜能有效地阻止溶劑分子的通過，但鋰離子卻可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫嵌，具有固體電解質(zhì)的特征，因此這層鈍化膜被稱為固體電解質(zhì)界面（Solid Electrolyte Interface，SEI）膜。引起電池膨脹的重要原因有：①化成時，形成SEI膜的過程中產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)氣壓升高，由于方形鋰電池平面結(jié)構(gòu)耐壓能力差，因此造成殼體變形；②充電時電極材料晶格參數(shù)發(fā)生變化，造成電極膨脹，電極膨脹力作用于殼體，造成電池殼體變形；③高溫貯存時，少量電液分解及由于溫度效應(yīng)氣體壓力增大，造成電池殼體變形。在以上三個原因中，電極膨脹而引起的殼體膨脹是最主要原因。

方形鋰電池的鼓脹問題是一個通病，特別是大容量方形鋰電池更為嚴(yán)重，電池鼓脹會造成電池的內(nèi)阻增加、局部的電解液枯竭甚至殼體破裂，嚴(yán)重地影響了電池的安全性能及循環(huán)壽命。解決方法：①采用小結(jié)構(gòu)形式，加強殼體強度；②優(yōu)化排列方式。通過上述兩種方法，可以有效解決方形鋰電池鼓脹問題。加強殼體強度是把原來的平面殼體設(shè)計成加強結(jié)構(gòu)，并以向殼體內(nèi)部打壓的方式，測試殼體加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果，按照固定方式的不同（固定長度方向和固定寬度方向）分別測試，可以明顯觀察到加強結(jié)構(gòu)的作用。以寬度固定情形為例，在0.3MPa壓強下，有加強結(jié)構(gòu)的殼體形變量為3.2mm，而沒有加強結(jié)構(gòu)的殼體形變量達(dá)到4.1mm，形變量降低了20%以上。模組中電芯的排列方式不同，其厚度方向形變量也不同，優(yōu)化排列方式的解決方法就是對比選擇形變量盡量小的排列方式。

（2）大型方形鋰電池散熱性能變差 隨著單體體積的增大，電池內(nèi)部發(fā)熱部分到殼體的距離越來越遠(yuǎn)，傳導(dǎo)的介質(zhì)、界面越來越多，使得散熱變得困難，并且在單體上熱量分布不均的問題越來越明顯。清華大學(xué)物理系吳偉雄等人進行了一項研究，實驗采用3.2V/12A·h的方形鋰電池，電池充放電設(shè)備為新威CT-3001W-50V120-ANTF，測試過程中環(huán)境溫度為31℃，散熱方式為空氣冷卻，用溫度巡檢儀記錄電池的溫度變化。實驗步驟如下：

1）恒流充電，用12A的電流給電池充電，至充電截止電壓3.65V。

2）擱置，充電后擱置1h以使電池穩(wěn)定。

3）恒流放電，以不同的倍率放電至放電截止電壓2V。其中，放電倍率分別按1C、2C、3C、4C、5C和6C設(shè)定。

不同放電倍率下，電池表面的溫度會發(fā)生變化。隨著倍率增加，溫度也越來越高，各放電倍率對應(yīng)的電池表面最高溫度分別為38.1℃、48.3℃、56.7℃、64.4℃、72.2℃、76.9℃。3C倍率放電時，最高溫度已超過50℃，6C時溫度達(dá)到了76.9℃且超過50℃的時間為470s，占到了整個放電過程的三分之二，這對于電池安全持續(xù)工作非常不利。而相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力，因此采用相變材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)，附著在單體電芯表面，散熱效果能得到大幅度改善。另外，也有方案將導(dǎo)熱材料與水冷相結(jié)合，讓水冷系統(tǒng)把導(dǎo)熱材料吸收過來的熱量傳遞到系統(tǒng)外部去。鋰電池系統(tǒng)對于防止熱失控問題，最理想的就是能夠直接檢測到每一顆電芯的參數(shù)（最基本的溫度、電壓和電流等），這樣的話，即使沒有新型物美價廉且功能好的新型傳感器出現(xiàn)，對熱失控的預(yù)警和處置也都會成為可能。

2. 圓柱形

與軟包和方形鋰電池相比，圓柱形鋰電池（18650）是商業(yè)化最早、生產(chǎn)自動化程度最高、當(dāng)前成本最低的一種動力電池，又有特斯拉（Tesla）多年支持，基本保持著與軟包和方形鋰電池三分天下的局面。從特斯拉宣布Model3采用21700型號的圓柱形鋰電池以后，圓柱形鋰電池家族多了一個明星成員。下面簡述圓柱形鋰電池相關(guān)的幾個技術(shù)點，且文中不特殊聲明的，圓柱形鋰電池就特指18650。

圓柱形鋰電池是被研究得最多、技術(shù)討論最充分的電池品種。單體主要由正極、負(fù)極、隔膜、正負(fù)極集電極、安全閥、過電流保護裝置、絕緣件和殼體共同組成。殼體早期使用鋼殼較多，目前以鋁殼為主。單體過電流保護裝置，每個廠家的設(shè)計并不相同，根據(jù)對安全性要求的不同，價格完全不同，可以進行定制。一般的安全裝置主要有PTC元件和熔斷裝置兩大類。PTC元件中出現(xiàn)過電流、電阻發(fā)熱和溫度積累時，會促進PTC元件阻值的上升，當(dāng)溫度超過一個閾值以后，PTC元件阻值陡然增大，相當(dāng)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(fā)生。熔斷裝置原理上就是一個熔絲，遇到過大電流時熔絲熔斷，回路被斷開。兩種保護裝置的區(qū)別在于前者可恢復(fù)，后者的保護是一次性的，一旦故障發(fā)生，系統(tǒng)必須更換問題電芯后才能正常工作。

圓柱形電芯尤其是18650，由于其自身結(jié)構(gòu)特點，也由于其型號的標(biāo)準(zhǔn)化以及圓柱形電芯生產(chǎn)的自動化水平，使其成為3種電芯形式中最主要的形式。這就使得高度一致性成為可能，成品率相應(yīng)得到提高。有數(shù)據(jù)顯示，三星、松下等國外主要廠家良品率可以達(dá)到98%，而國內(nèi)廠商也可以超過90%。

優(yōu)點：

1）單體一致性較好。

2）單體自身力學(xué)性能好，與方形和軟包鋰電池相比，封閉的圓柱體在近似尺寸下，可以獲得最高的彎曲強度。

3）技術(shù)成熟、成本低，但同時成本優(yōu)化的空間也已經(jīng)消耗殆盡。

4）單體能量小，發(fā)生事故時易于控制。

缺點：

1）在電動汽車中，電池系統(tǒng)的圓柱形單體數(shù)量都很大，這就使得電池系統(tǒng)復(fù)雜度大增，無論結(jié)構(gòu)還是管理系統(tǒng)，相對于另外兩類電池，系統(tǒng)級別的圓柱形鋰電池成本偏高。

2）在溫度環(huán)境不均勻的條件下，大量電芯特性異化的概率上升。當(dāng)然，特斯拉之所以在設(shè)計之初選擇18650，相信只是個無奈之選，因為10多年前，能夠大批量生產(chǎn)的合格動力電池只有圓柱形電池。而電池的安全和熱管理需求，反而是它強大電控系統(tǒng)的研發(fā)動力。

3）能量密度的上升空間已經(jīng)很小。2016年，超威把單體容量做到4050mA·h，電芯能量密度為306W·h/kg，此后便沒有更高的記錄。

特斯拉的Model3電池系統(tǒng)帶火了21700。特斯拉Model3全面啟用21700三元鋰電池，開啟了圓柱形鋰電池提升容量的新階段。特斯拉Model3的21700型電池系統(tǒng)，能量密度在300W·h/kg左右，比原來ModelS使用的18650電池的能量密度提升20%以上，單體容量提升35%，系統(tǒng)成本降低9%左右。目前國際上能夠批量生產(chǎn)21700電池的企業(yè)屈指可數(shù)，除了松下和特斯拉聯(lián)合研發(fā)的21700電池量產(chǎn)外，先前三星SDI也曾展示相關(guān)21700產(chǎn)品，據(jù)了解該產(chǎn)品還沒有進行批量生產(chǎn)。新聞資料顯示，國內(nèi)著手21700的廠家有比克、力神、億緯鋰能、天鵬電源、遠(yuǎn)東福斯特和猛獅新能等。2017年8月16日，國家工業(yè)和信息化部發(fā)布《道路機動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》（第299批）的車輛新產(chǎn)品公示，公示了南京金龍和北汽的兩款產(chǎn)品。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(chǎn)的兩款純電動廂式運輸車（型號為NJL5040XXYBEV25和BJ5040XXYCJ06EV），率先搭載了21700三元鋰電池。三元系正極材料NCA具有高容量（≥195mA·h/g，2.75～4.30V）、易加工、存儲性能優(yōu)越的優(yōu)點，適合客戶現(xiàn)有工程條件，有望大規(guī)模應(yīng)用在電動汽車上，以解決電動汽車?yán)m(xù)航里程及安全性問題。面對當(dāng)前人們不斷提高能量密度的現(xiàn)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(zhàn)：

1）新材料如NCA、硅碳等供應(yīng)鏈尚不成熟，成本高，供應(yīng)難以穩(wěn)定，比如更高能量密度的材料811，其本身穩(wěn)定性和制造控制距離量產(chǎn)有段差距，結(jié)果就是短期內(nèi)811比18650貴很多，性能卻差不少。

2）新材料制程對環(huán)境要求高，固定資產(chǎn)投資高，能耗巨大。

3）單體電池容量低，通過成組（Pack）技術(shù)實現(xiàn)包裝、封裝和裝配，Pack工藝是動力電池包生產(chǎn)的關(guān)鍵性步驟，其重要性也隨著電動汽車市場的不斷擴大而越發(fā)顯著。目前，汽車用動力電池基本上由以下幾個系統(tǒng)組成：電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機械系統(tǒng)。然而，Pack技術(shù)要求和成本偏高。

4）極耳是鋰電池產(chǎn)品的一種原材料。電池分正負(fù)極，極耳就是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，通俗地說，電池正負(fù)兩極的耳朵是在進行充放電時的接觸點。單體電芯最多適應(yīng)正單、雙耳負(fù)極結(jié)構(gòu)，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(shè)計空間很小，18650用523+石墨體系，按新國家標(biāo)準(zhǔn)，將1C做到2.4A·h已到了設(shè)計的極限。

更大直徑圓柱鋰電池將成為必然趨勢，更大尺寸電芯與18650從極耳設(shè)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(yōu)勢。總體上，尺寸從18650提高到21700，獲得的好處如下：

1）在適當(dāng)提高能量密度情況下，可以選擇常規(guī)材料，其性能穩(wěn)定、性價比高。

2）可以適當(dāng)進行多極耳結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低內(nèi)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(dāng)增加直徑和高度可以獲得更大的有效體積。

5）單體電芯容量增大，輔助構(gòu)件比例降低，有利于降低Pack成本。

而國家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34013—2017《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》中，把原來征求意見稿中只有18650和32650修改成囊括21700在內(nèi)的4個規(guī)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。小型鋰電池（＜3A·h）及電池模組（＜150A·h）的熱安全性已經(jīng)有很多較為成熟的方法進行防控，比如加入PTC元件、引入電流中斷機制或壓力傳感器等。而大型鋰電池（＞6A·h）或模組（＞200A·h）的安全性控制問題仍然存在挑戰(zhàn)。大型動力鋰電池相比于小型鋰電池，由于其本身所含能量較高，當(dāng)出現(xiàn)熱安全性問題時，所帶來的后果會更為嚴(yán)重。由于電池體積的增大，造成電池比表面積（單位質(zhì)量物料所具有的總面積，分外表面積和內(nèi)表面積兩類，國標(biāo)單位為m2/g）減小，進而使得電池單位體積散熱面積降低。電池內(nèi)部溫度的不一致性也會隨著鋰電池的大型化和成組化而出現(xiàn)，這種電池單體之間的溫度差異會使得電池?zé)崾Э仫L(fēng)險增加，進而導(dǎo)致電池出現(xiàn)一系列問題。

如果廠家掌握更為先進的安全管理技術(shù)，可以讓風(fēng)險停留在自身系統(tǒng)的可控范圍內(nèi)，就可以避免電池單體帶來的風(fēng)險。反過來也可以說，使用更大容量的電芯構(gòu)建系統(tǒng)，理論上是以單體設(shè)計和電池Pack設(shè)計風(fēng)險管理技術(shù)水平的提高為前提的。容量與安全性不可兼得，容量提升帶來的風(fēng)險和收益，是業(yè)內(nèi)的顯知識，主機廠是否全面接受，是否愿意為它讓出一定的安全性，是21700進一步發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。而生產(chǎn)21700所需要設(shè)備的調(diào)整和更新，則受到設(shè)備供應(yīng)商的觀點影響。單從技術(shù)積累角度看，18650被企業(yè)和學(xué)術(shù)單位研究多年，有很多公開數(shù)據(jù)和資料，比如熱管理模型、熱失控預(yù)測等，這對于自身研發(fā)能力還不完善的小企業(yè)來講是一種資源。