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从全球视角看,方形/软包/圆柱三种电池谁能胜出

能量密度越高,软包优势越大

不同于主要使用不锈钢外壳或铝制外壳的方形电池和圆柱电池,软包电池多使用更轻更薄的铝塑膜,重量轻,能量密度大。

不过,上述技术负责人指出,由于单体没有金属外壳,软包电池的高能量密度,主要体现在电芯上,但单体的壳的重量其实转嫁到了模块上,到最终产品的电池包,软包电池的能量密度优势不一定能体现出来。

在一位动力电池技术专家看来,软包电池的能量密度优势,主要体现在做到300瓦时/公斤的水平时。他认为,圆柱和方形电池要做到230-240瓦时/公斤都没有问题,软包的能量密度会稍微高一些;但能量密度继续提升时,软包电池的优势就更加明显了。

同等情况下,方形电池的能量密度普遍比软包电池低20-30瓦时/公斤,如果软包达到300瓦时/公斤,方形只能达到270瓦时/公斤左右。因此,企业在实验室中开发高能量密度产品时,软包成为主流的选择。

为什么能量密度越高,软包的优势越突出?

上述专家表示,对企业而言,除了提高能量密度,还必须考虑循环、安全和生产效率等因素。由于软包的铝塑膜外包装很轻,70-80安时的电芯就能做到300瓦时/公斤的能量密度,方形电池受限于外包装重量大,能量密度要做到300瓦时/公斤,电芯容量就会达到200安时左右,这样一来,技术难度加大了,生产效率降低了,劣势比较明显。

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PNNL研发的300瓦时/公斤的软包电池

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PNNL研发的300瓦时/公斤的软包电池构成

2018年6月,美国太平洋西北国家实验室(PNNL)发布报告称,该实验室与布鲁克海文国家实验室(BNL) 、斯坦福直线加速器中心(SLAC)、斯坦福大学、通用汽车和纳维塔斯系统公司(Navitas Systems)等已经合作开发出能量密度大于300瓦时/公斤的锂金属软包电池,并且实现了100次以上的稳定循环。

未来,这些机构还计划开发能量密度达到500瓦时/公斤的软包电池。

软包最安全?相对的

安全系数较高也是软包电池的一项优势。

上述技术专家指出,由于外包装采用的多是铝塑膜,一旦内部出现问题,软包电池就会出现鼓胀,从电池表面最薄弱的部位鼓开,但不会发生爆炸。通常,电池单体越大,安全越难保证,尤其是方形电池的安全系数比软包电池和圆柱电池都要低。

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发生鼓胀的软包电池

但软包电池的安全性是相对的。上述技术负责人认为,虽然软包电池不易发生爆炸,但在能量密度比较高时,燃烧也会十分迅速、剧烈。相比之下,圆柱电池的安全性可能更胜一筹,最典型的例子就是特斯拉选用的18650圆柱电池。

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特斯拉的18650圆柱电池

特斯拉Model S 的电池包由7000多枚18650圆柱电池组成,每个电池单体整齐地封装在金属槽中,这种布置最大限度地减少了由机械振动、热循环和充放电导致的单体破损。

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特斯拉Model S的电池包

由于电池单体体积小,能量也小,每个单体之间还留有空隙,散热性较好。如果要求单体的问题不会对整个系统造成损害,目前来看,圆柱是唯一的方案。从系统角度来讲,圆柱电池的安全系数大于软包电池,软包大于方形。

当然,由于电池单体容量较小,要达到一定的动力性能,电池的总量必然巨大,这就对电池系统的连接和热管理技术提出了极高要求。因此,圆柱电池路线让不少车企望而却步。

宝马集团主管技术及研发的傅乐希(Klaus Fr·hlich)明确表示,方形电池结构紧凑,而且不容易受外力损坏,是宝马选择方形电池的主要原因,未来也可能选择软包电池,圆柱电池则不在宝马的选择范围之内,因为电池冷却和成组的挑战更大,“如果圆柱电池要达到与软包和方形同样的能量密度,必须有更激进的电池材料方案,有多方面的风险。”

目前,宝马i3、宝马i8、宝马X5插混版、宝马X6插混版和宝马Active混动版搭载的都是三星SDI供应的方形电池。

硬币的两面:灵活度OR生产效率

设计灵活,是方形电池和软包电池共有的优势。尤其是软包电池,理论上可以做成任意形状。硬币的另一面,是标准化程度和生产效率低,以及随之而来的生产工艺复杂,生产成本高和品控不佳问题。

曾经风光无限的菲斯科卡玛电动车走向没落,直接原因就是电池产品质量不过关。

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A123 System的电池产品

2011年7月,菲斯科卡玛正式上市,由于其电池供应商A123 System生产的方形电池存在缺陷,仅仅5个月后,菲斯科被迫召回239辆卡玛。2012年10月,A123 System宣布破产,直接导致卡玛停产,第二款车型开发中断。

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