我们都知道电芯主要可分为三种类型:棱柱形铝壳电池、圆柱形电池和软包电池。他们每个人都有自己的特点。目前,方形电池在电动汽车 (EV) 动力电池市场占据主导地位,而软包电池主要用于消费电子产品。圆柱形电池是一种在市场上占据份额的经济高效的选择。但是,这三种类型的电池各有其优缺点。
圆柱形单元
优点: 圆柱形电芯是最早成熟的工业化锂电池产品之一。经过二十多年的发展,圆柱锂电池的生产工艺已经成熟。它们生产效率高,成本相对较低。因此,使用圆柱形电池的电池组成本相对较低。与方形和软包电池相比,圆柱形电池也具有更高的产量。它们还表现出良好的一致性和安全性能。
缺点:圆柱形电池通常封闭在钢壳中,具有更高的安全级别,但往往更重,因此与其他类型的电池相比,能量密度较低。圆柱形还会导致空间利用率降低和径向导热问题,从而影响温度分布。由于圆柱形电池的径向热性能较差,单个电池中的绕组数量受到限制(18650 节电池通常约为 20 个绕组),导致单个容量较小。当用于电动汽车时,需要大量的单个电池来形成电池模块和电池组,从而导致连接损耗增加和电池管理系统 (BMS) 管理的复杂性。

棱柱形电池
优点: 方形硬壳电池通常由铝合金或不锈钢等材料制成,并采用卷绕或堆叠内部的流程。与铝塑膜电池(即软包电池)相比,它们为电芯提供了更好的保护,并且与圆柱形电池相比,电芯的安全性显著提高。然而,方形硬壳电池对冷却系统布局的要求更高。
方形电池在中国的采用率很高。近年来,随着电动汽车动力电池的兴起,车辆续航里程与电池容量之间的矛盾日益凸显。国内动力电池制造商大多使用高能量密度的方形铝壳电池作为首选。

优点:方形电池的封装主要由铝合金和不锈钢等材料制成,内部结构采用缠绕或堆叠工艺。与软包锂电池相比,这为电池提供了更好的保护。与圆柱形锂电池相比,电池的安全性显著提高。方形电池的结构比较简单。与需要高强度不锈钢外壳和防爆安全阀等附加附件的圆柱形电池不同,方形电池的整体附件重量更轻。它们还具有相对较高的能量密度,从而减少了单个电池的数量并降低了对电池管理系统 (BMS) 的要求。
缺点:根据产品尺寸定制方形电池组会导致市场上出现多种不同型号的方形电池。大量不同的电池型号使得制造过程难以标准化,导致自动化水平较低,单个电池单元差异很大。这可能会导致由方形锂电池组成的电池组的使用寿命比单个电池短得多。
软包电池
中使用的材料和加工技术袋装电池与传统的钢壳或铝壳电池没有显着区别。主要区别在于使用软包装材料,特别是铝塑复合膜,这是软包锂电池中关键且极具挑战性的材料。软包装材料通常由三层组成:外阻隔层(通常由尼龙 BOPA 或 PET 制成以提供保护)、阻隔层(中间的铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。

优点: 软包锂电池有几个优点:
与硬壳电池相比,软包电池的爆炸风险较低。软包电池中使用的铝塑料薄膜包装可提供更好的保护,并减少灾难性故障的可能性。软包电池提供更高的能量密度。它们比同等容量的钢壳锂电池轻约 40%,比铝壳电池轻约 20%。这允许在更小、更轻的外形尺寸中存储更多的能量。
缺点:软包电池目前需要解决标准化、成本高、严重依赖进口铝塑膜、一致性差等问题。
总体而言,圆柱形、方形和软包电池各有优缺点,每种类型在特定领域都占主导地位。可以根据电池的材料特性、应用领域和产品要求来确定最佳包装方法,同时考虑到每种包装形式的具体特性。每种封装类型都有其自身的技术挑战,良好的电池设计涉及电化学、热管理、电气工程和机械工程等领域的复杂问题。它对电池和系统的整体设计提出了很高的要求。
安全性能也是消费者非常关心的问题。无论电芯类型如何,都需要按照 GB38031、GB31241、UN38.3 等测试标准,进行一系列安全测试,如外部短路、过充、高低温暴露、防爆、过放电、耐低压、温度循环、振动、加速冲击、跌落、压缩、穿刺、抗冲击、热滥用、燃烧、冲洗等一系列安全测试。 GB/T31485.当电池表现出耐火、防爆和防漏电时,它被认为是合格的。
进行全面比较:
a. 圆柱形:圆柱形电池具有良好的标准化性,只有三个主要外形尺寸:18650、2170 和4680.它们历史悠久,制造工艺成熟,起源于索尼于 1992 年的发明(最早的商用锂电池)。圆柱形电池自动化水平高,产品一致性强,成本相对较低。然而,它们在径向散热方面存在限制,这限制了绕组层的数量并导致单个电池容量降低。这意味着需要成百上千个电池单元,以及先进的电池热管理技术。此外,电池分组过程中的封装效率较低,钢壳增加了重量,导致分组时的能量密度相对较低。
b. 棱柱形:棱柱形电池的制造工艺更简单,为电池提供保护。与圆柱形电池相比,它们在分组时难度较小,并且提供更高的能量密度。然而,方形电池缺乏标准化,模型范围广泛,在实现工艺均匀性方面存在挑战。虽然方形电池传统上是使用绕组技术制造的,但也正在使用新的方法,例如堆叠软包电池。
c. 软包:软包电池提供轻薄而灵活的外形尺寸,可实现更高的能量密度。然而,它们的机械强度较低,要求更高制造工艺.他们对 cell 分组也有更高的要求。
包装形式也可以从另一个维度分为缠绕和层压。其中包括:圆柱形电池只能卷制,软包只能层压,方形电池既可以卷制又可以层压。对比这三个包,可以说它们只有彼此的一半好,都属于可用性和易用性的范畴。一旦车企决定使用哪种包装,除非包装工艺模式发生巨大变化,否则它不会轻易改变它。未来哪种封装技术发展得好,主要看哪首页车企发展得好。
例如,特斯拉和松下的圆柱形电池:特斯拉一直在使用圆柱形电池,并将继续这样做。与特斯拉关系密切的松下也一直专注于圆柱形电池。2017 年,松下以 9.9 GWh 的装机容量占据全球最大的市场份额,占 16.7%。
中国新能源汽车和方形电池:中国拥有大量的新能源商用车(主要用于城市公交车),它们表现出对方形电池的偏好。因此,电池供应商优先生产方形电池,然后被乘用车制造商采用。此外,德国也偏爱方形电池。因此,鉴于中国新能源汽车行业的强劲发展,目前中国使用的大多数电池都是方形电池,这使得方形电池成为主流选择。