為什么特斯拉將用20700代替18650？

為什么特斯拉會(huì)對圓柱電池“情有獨(dú)鐘”，“圓柱電池”身上到底有哪些優(yōu)點(diǎn)讓特斯拉這個(gè)“技術(shù)男”念念不忘呢？小編就以“現(xiàn)任情人”18650來分析一下。

對于用18650電芯做為新能源電動(dòng)汽車電池的技術(shù)路線，大家首先可能把目光轉(zhuǎn)向特斯拉。特斯拉在進(jìn)行電池開發(fā)時(shí)，測試了很多種類的電池，但最后把目標(biāo)鎖定在18650電池，究竟18650的電芯有哪些優(yōu)缺點(diǎn)，讓我們來分析18650的真面目。

首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認(rèn)識

我們?nèi)粘３Ｕf的18650其實(shí)是指電池的外形規(guī)格，是日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。18650電池原指鎳氫電池和鋰離子電池，由于鎳氫的現(xiàn)在比較少用，所以現(xiàn)在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節(jié)標(biāo)稱電壓一般為：3.6V 或3.7V；最小放電終止電壓一般為： 2.5～2.75V。常見容量為1200～3300mAh。

關(guān)于一致性

18650電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。多年來，日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。

相比之下，層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟，常見的有方形電池、軟包電池，甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統(tǒng)一，電池廠商所具備的生產(chǎn)工藝也不能滿足條件，大多數(shù)以人為控制為主，電池的一致性達(dá)不到18650電池的水準(zhǔn)。如果電池的一致性達(dá)不到要求，大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理也將不能讓每個(gè)電池的性能更好地發(fā)揮，而18650電芯可以解決這一問題。

特斯拉使用的松下18650圓柱電池

總結(jié)來說，18650電池的單體容量小，所需的單體數(shù)量會(huì)很多(Model S有7104只)，但是一致性很好；層疊式電池的容量可以做得較大(20 Ah到60 Ah)，單體數(shù)量可以降低，但是一致性差。相比之下，現(xiàn)階段很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝。因此，在研發(fā)Roadster和Model S的時(shí)候，Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池，自行開發(fā)電池系統(tǒng)。開發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng)，相比之下，前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池?cái)?shù)目增多，但是如果這些電池的性能是可靠的，管理起來還是容易一些。

對比另一款很成功的純電動(dòng)汽車，日產(chǎn)的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因?yàn)槿债a(chǎn)與NEC合作多年，在電池技術(shù)方面積累很深厚，在品質(zhì)控制方面應(yīng)該有相當(dāng)?shù)墓α?。LEAF的電池來自AESC，日產(chǎn)與NEC的合資公司。

對比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。

關(guān)于散熱能力

層疊式電池的厚度薄、表面大，均熱、散熱能力都不錯(cuò)，因此日產(chǎn)的LEAF很大膽地采用了被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)(其實(shí)就是不管理！)，由空氣的自然對流將熱量帶走。

從左到右，LEAF從單體，到四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊，再到由48個(gè)電池模塊串聯(lián)組成的電池組如下圖所示：

日產(chǎn)LEAF使用的NEC層疊電池

可以看到，電池組上沒有任何的風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。大概這就是無招勝有招。

反過來看Tesla，18650電池的個(gè)頭比較小，在正常充放電時(shí)單體電池內(nèi)部的溫差也不會(huì)太大。但是，6000多個(gè)單體電池的溫度也應(yīng)當(dāng)保持在不超過5°C的范圍內(nèi)，這是一件非常困難的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？參看Tesla 的電池管理系統(tǒng) (BMS) 相比其他電動(dòng)汽車有哪些優(yōu)勢？

特斯拉電池模組中的液冷系統(tǒng)

如上圖，這些管道是冷卻液的流道，流道均勻分布在電池模組中間，能讓每只電芯能很好地跟水管接觸，這樣每只電芯在冷卻時(shí)帶走的熱量也幾乎一樣，溫差也就可以有效地控制在很小的范圍內(nèi)。

總結(jié)來說，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的。也就是說，如果從散熱能力方面考慮，使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選擇。

關(guān)于能量密度

談到能量密度，就必須區(qū)分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。

就單體電池的能量密度來看，18650電池是要高于層疊式鋰離子電池。我這里查到的日產(chǎn)LEAF所用的33 Ah鋰離子電池的能量密度是157 Wh/kg，GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kg；而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211 Wh/kg。但是，18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜，由此額外增加的重量會(huì)使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450 kg，能量密度是118 Wh/kg，而LEAF電池組的重量是225 kg，能量密度是107 Wh/kg。在電池組層次，兩者的能量密度已經(jīng)不相上下。

從Tesla披露的信息看,在現(xiàn)有條件下,其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)的能量密度在300Wh/kg,相比18650電池系統(tǒng)的250Wh/kg提高了20%。從松下的動(dòng)力鋰電池單體的測試數(shù)據(jù)來看,其21700電池的體積能量密度遠(yuǎn)高于18650型電池單體。單體電芯能量密度的提升要遠(yuǎn)高于成組后提升的20%幅度。

由此可見,相比18650型號電池,21700電池的優(yōu)勢如下:

第一，空間利用率變大,電芯單體及系統(tǒng)能量密度都可得到提升。從18650型號切換至21700型號后,電池單體電池容量可以達(dá)到3~4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需電池的數(shù)量可減少約1/3。

根據(jù)《中國制造2025》明確了動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，電池能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達(dá)到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。目前，我國各電池動(dòng)力鋰電池能量密度達(dá)到什么水平了呢？

比亞迪：目前，比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh，而接下來比亞迪計(jì)劃將能量密度繼續(xù)提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池，比亞迪也在同步開發(fā)三元鋰電池，而如果將三元鋰電池的技術(shù)結(jié)合到磷酸鐵鋰電池上，對原有用石墨作為負(fù)極材料的做法進(jìn)行一些調(diào)整，那么在2020年左右，比亞迪計(jì)劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。

另外，在跟進(jìn)的三元電池方面，比亞迪的三元電池已經(jīng)具備量產(chǎn)條件，目前能量密度也達(dá)到了200Wh/kg。比亞迪三元電池的目標(biāo)是2018年電池比能量達(dá)到240Wh/kg，2020年達(dá)到300Wh/kg。

沃特瑪：生產(chǎn)的32650圓柱型動(dòng)力磷酸鐵鋰電池，單體能量密度已經(jīng)達(dá)到145Wh/kg，下一步目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)160Wh/kg；三元電池目前能量密度為200Wh/kg，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到300Wh/kg的水平。

國能電池：早在2013年，國能磷酸鐵鋰和三元電池單體能量密度就達(dá)到了160Wh/kg和200Wh/kg。預(yù)計(jì)2017年年底，磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達(dá)到180Wh/kg、PACK達(dá)到134Wh/kg，三元電池能量密度將突破240Wh/kg。

捷威動(dòng)力：在能量密度方面，公司目前已經(jīng)量產(chǎn)的三元軟包電池單體比能量達(dá)210WH/Kg。在提高電池安全性的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)2020年公司軟包電池單體能量密度可達(dá)300WH/Kg，Pack成組后可達(dá)220WH/Kg；鈦酸鋰電池單體能量密度達(dá)到110WH/Kg以上。

智慧能源：公司量產(chǎn)的動(dòng)力電池單體能量密度可達(dá)220Wh/Kg，PACK成組后能量密度達(dá)到140Wh/Kg。同時(shí)，公司BMS系統(tǒng)可做到5級防護(hù)，電池包采用輕量化材料，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

比克電池：2016年，比克三元材料動(dòng)力電池行業(yè)占比30%以上，位列第一。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg，后續(xù)還將進(jìn)一步提升至300Wh/kg。

卡耐新能源：卡耐新能源已經(jīng)可以批量供應(yīng)能量密度220Wh/kg電芯，系統(tǒng)比能量大于130Wh/kg電芯，同時(shí)工藝和技術(shù)層面已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)250Wh/kg、技術(shù)300Wh/kg產(chǎn)品儲備。

超威：消息稱超威集團(tuán)旗下子公司浙江超威創(chuàng)元實(shí)業(yè)有限公司(以下簡稱超威創(chuàng)元)在圓柱18650鋰電電芯研發(fā)方面取得新進(jìn)展，新研發(fā)出的圓柱18650鋰電電芯容量一舉突破3000mAh“大關(guān)”，達(dá)到4050mAh，比能量已超過300wh/kg，提前實(shí)現(xiàn)科技部所給出的目標(biāo)。

超威創(chuàng)元18650-4050mAh電芯比能量可達(dá)306Wh/kg，可以說提前完成了科技部“2020年的動(dòng)力電池單體比能量300 Wh/kg”的目標(biāo)。此款電芯不僅在容量和比能量上有所突破，在其他性能上也很優(yōu)異。任寧說，這款電芯循環(huán)壽命在300次以上(1C100%DOD)，而低溫性能和荷電保持能力均已達(dá)到國標(biāo)(GB/T31484、GB/T31486)要求，-20℃條件下1C放電容量大于70%。

關(guān)于安全性

前面提到層疊式鋰離子電池的各種優(yōu)點(diǎn)，但它也有一些缺點(diǎn)。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的，而鋁塑膜的厚度薄，機(jī)械強(qiáng)度差，在汽車發(fā)生碰撞等極端情況下，鋁塑膜很容易發(fā)生破損導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生。這也就解釋了為什么日產(chǎn)要在4個(gè)單體組成的電池模塊外面再加一個(gè)鋁殼。

18650電池一般是鋼殼，安全性更好；而且前面也提到隨著18650電池生產(chǎn)工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。

Tesla在應(yīng)對這些18650電池可能出現(xiàn)的安全事故上，也傾注了很多心血。如果一個(gè)單體電池出現(xiàn)溫度過高等異常情況，根據(jù)異常情況的惡劣程度，這枚電池或其所在的模組會(huì)斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小，只要不發(fā)生蔓延，事故的嚴(yán)重程度將是較低的。

關(guān)于成本

18650鋰離子電池具有容量大、壽命長、安全性能高等特點(diǎn)，又因?yàn)轶w積小，重量輕，使用方便，深受消費(fèi)者的青睞。隨著人們對18650電池技術(shù)研究的不斷加深，使得電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。作為最早的鋰離子電池，18650電池也是目前世界上最成熟、最穩(wěn)定的電池組合，至今仍然占據(jù)領(lǐng)先位置。我國每年生產(chǎn)18650電池約幾十億節(jié)，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他材料的電池。

而Tesla采用18650電池，就可以利用日本松下等廠商之前的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下，松下等廠商與Tesla合作升級產(chǎn)品，將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動(dòng)力電池。工業(yè)生產(chǎn)有一個(gè)規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達(dá)到一個(gè)量級之后，成本會(huì)大大降低。一輛新能源汽車就需要成千上萬節(jié)18650電池，因此單體的采購成本可控。

可以說，采用18650、21700等圓柱電池作為新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力之源，在現(xiàn)階段可以說是最優(yōu)的選擇。但是隨著電池技術(shù)工藝的成熟，未來也會(huì)出現(xiàn)更多新型的電池應(yīng)用在新能源電動(dòng)汽車上。

從成本來看,根據(jù)Tesla披露的電池價(jià)格信息,預(yù)計(jì)21700的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)售價(jià)為170美元/kWh,相比18650的售價(jià)185美元/kWh,價(jià)格下降幅度可達(dá)8.1%。18650的系統(tǒng)的成本約為171美元/kWh,改用21700后,系統(tǒng)成本約能實(shí)現(xiàn)9%左右的降幅,達(dá)到155美元/kWh。