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圆柱、方形和软包锂电池结构特点

圆柱型锂电池有诸多型号,比如,14650、17490、18650、21700、26500等。圆柱形锂电池生产工艺成熟,PACK成本较低,电池产品良率以及电池组的一致性较高;由于电池组散热面积大,其散热性能优于方型电池;圆柱形电池便于多种形态组合,适用于电动车空间设计的充分布局。但圆柱形电池一般采用钢壳或铝壳封装,会比较重,比能量相对较低。目前中、日、韩、美等都有成熟的生产企业,比如SANYO、SONY、LG、万向A123等。

随着电动汽车市场的进一步扩大和对续航里程要求的不断提升,整车企业对动力电池在能量密度、制造成本、循环寿命和产品附加属性等方面都提出了更高的要求。在原材料领域尚未获得巨大突破的前提下,适当增大圆柱电池的体积以获得更多的电池容量便成为一种可探索的方向。目前,特斯拉已经启动了21700电池的规模化生产,并计划用于特斯拉汽车Model3上,如果在特斯拉其他车型上测试通过,将全部替换掉之前使用的18650电池,特斯拉的做法或将在世界范围内引领一股“21700风潮”。

方形硬壳电池:型号太多,工艺统一难

方形硬壳电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料,内部采用卷绕式或叠片式工艺,对电芯的保护作用优于于铝塑膜电池(即软包电池),电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。

锂电池铝壳在钢壳基础上发展而来,与钢壳相比,轻重量和安全性以及由此而来的性能优点,使铝壳成为锂电池外壳的主流。锂电池铝壳目前还在向高硬度和轻重量的技术方向发展,这将为市场提供技术更加优越的锂电池产品。目前,生产方形硬壳电池的企业有国轩高科、三星SDI、力神、宁德时代等。

由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产,所以市场上有成千上万种型号,而正因为型号太多,工艺很难统一。方形电池在普通的电子产品上使用没有问题,但对于需要多只串、并联的工业设备产品,最好使用标准化生产的圆柱形锂电池,这样生产工艺有保证,以后也更容易找到可替换的电池

软包电池:未来市场占比有望超过50%

软包锂电池所用的关键材料—正极材料、负极材料及隔膜—与传统的钢壳、铝壳锂电池之间的区别不大,最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜),这是软包锂电池中最关键、技术难度最高的材料。软包装材料通常分为三层,即外阻层(一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。

软包电池的包装材料和结构使其拥有一系列优势,比如,安全性能好,软包电池在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,而不像钢壳或铝壳电芯那样发生爆炸;重量轻,软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%;内阻小,软包电池的内阻较锂电池小,可以极大的降低电池的自耗电;循环性能好,软包电池的循环寿命更长,100次循环衰减比铝壳少4%~7%;设计灵活,外形可变任意形状,可以更薄,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号。

软包电池的不足之处是一致性较差,成本较高,容易发生漏液。成本高可通过规模化生产解决,漏液则可以通过提升铝塑膜质量来解决。生产软包电池的企业有多氟多、中航锂电、万向、中信国安、微宏动力等。

在数码领域,消费类电子产品对于电池的要求向着体积小、轻薄化的趋势发展,软包替代方形铝壳的速度不断加快,软包聚合物锂电池凭借其优异的综合性能,在智能手机、平板电脑、可穿戴设备等消费类电子产品中广泛使用,且增长速度远超过锂电池行业平均水平。

此外,动力电池领域的应用也在加快,经调研发现,北汽、长安、东风等国内中高端新能源乘用车上都开始采用软包动力电池。据统计,2015年国内方形、圆柱、软包锂电池产量分别为17GWh、10.1GWh、19.8GWh,占比分别为36.4%、21.5%、42.3%,软包占比已经超过方形和圆柱。

2016年前三个季度,受新能源汽车市场波动等因素影响,方形、圆柱电池产量环比都出现了不同程度的下滑,只有软包电池产量环比上升,国内软包电池前三季度产量达13Gwh,其中,第三季度环比增长达20%。近年来,国内如东风、众泰、北汽新能源等主流电动车企也纷纷开始尝试软包动力电池,上海卡耐新能源、山东恒宇等企业也开始大力投建软包动力电池生产线。

总的来说,圆柱、方形和软包三种封装类型的电池各有优势,也各有不足,每种电池都有自己主导的领域,比如,方形电池中磷酸铁锂较多,软包电池中三元更多一些。随着新能用汽车新补贴政策的出台,电池的系统能量密度成为一项重要考核指标。比如,补贴新政要求纯电动客车续驶里程不低于200公里、电池系统能量密度要高于85Wh/kg、电池系统总质量占整车整备质量比例不高于20%,这些都说明补贴向着重量更轻、续航里程更高的三元电池方向转变。三元软包电池容量较同等尺寸规格的钢壳锂电高10~15%、较铝壳电池高5~10%,而重量却比同等容量规格的钢壳电池和铝壳电池更轻,因此,补贴新政对三元软包电池更有利。鉴于软包电池的优势,业内专家预计,随着电池路线的发展,软包电池在新能源汽车市场的渗透率将不断提升,未来软包电池在各类型电池中的占比有望超过50%。

圆柱型锂电池有诸多型号,比如,14650、17490、18650、21700、26500等。圆柱形锂电池生产工艺成熟,PACK成本较低,电池产品良率以及电池组的一致性较高;由于电池组散热面积大,其散热性能优于方型电池;圆柱形电池便于多种形态组合,适用于电动车空间设计的充分布局。但圆柱形电池一般采用钢壳或铝壳封装,会比较重,比能量相对较低。目前中、日、韩、美等都有成熟的生产企业,比如SANYO、SONY、LG、万向A123等。

随着电动汽车市场的进一步扩大和对续航里程要求的不断提升,整车企业对动力电池在能量密度、制造成本、循环寿命和产品附加属性等方面都提出了更高的要求。在原材料领域尚未获得巨大突破的前提下,适当增大圆柱电池的体积以获得更多的电池容量便成为一种可探索的方向。目前,特斯拉已经启动了21700电池的规模化生产,并计划用于特斯拉汽车Model3上,如果在特斯拉其他车型上测试通过,将全部替换掉之前使用的18650电池,特斯拉的做法或将在世界范围内引领一股“21700风潮”。

解析方包软包圆柱动力电池分别有哪些优劣势及它们的区别

锂电池铝壳在钢壳基础上发展而来,与钢壳相比,轻重量和安全性以及由此而来的性能优点,使铝壳成为锂电池外壳的主流。锂电池铝壳目前还在向高硬度和轻重量的技术方向发展,这将为市场提供技术更加优越的锂电池产品。目前,生产方形硬壳电池的企业有国轩高科、三星SDI、力神、宁德时代等。

由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产,所以市场上有成千上万种型号,而正因为型号太多,工艺很难统一。方形电池在普通的电子产品上使用没有问题,但对于需要多只串、并联的工业设备产品,最好使用标准化生产的圆柱形锂电池,这样生产工艺有保证,以后也更容易找到可替换的电池。

软包电池:未来市场占比有望超过50%

软包锂电池所用的关键材料—正极材料、负极材料及隔膜—与传统的钢壳、铝壳锂电池之间的区别不大,最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜),这是软包锂电池中最关键、技术难度最高的材料。软包装材料通常分为三层,即外阻层(一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。

软包电池的包装材料和结构使其拥有一系列优势,比如,安全性能好,软包电池在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,而不像钢壳或铝壳电芯那样发生爆炸;重量轻,软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%;内阻小,软包电池的内阻较锂电池小,可以极大的降低电池的自耗电;循环性能好,软包电池的循环寿命更长,100次循环衰减比铝壳少4%~7%;设计灵活,外形可变任意形状,可以更薄,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号。

圆柱、方形和软包锂电池结构特点

我们常听到的三元锂电池和铁锂电池,其实是根据锂电池的正极活性材料来命名的。本文将介绍六种常见的锂电池类型,并详细对比它们的主要性能参数。请注意,不同技术路线的电芯参数可能有所不同,但本文所提供的参数数据是当前行业的一般水平。这六种锂电池包括:钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、镍钴锰酸锂(LiNiMnCoO2或NMC)、镍钴铝酸锂(LiNiCoAlO2或称NCA)、磷酸铁锂(LiFePO4)以及钛酸锂(Li4Ti5O12)。

【锂电池分类与性能】

【钴酸锂 (LiCoO2)】

钴酸锂因其高比能量而常用于手机和笔记本电脑,虽然具有高比能量,但存在寿命短和成本高的问题。钴酸锂电池的构造包括氧化钴阴极和石墨碳阳极,阴极采用分层结构设计。在电池放电过程中,锂离子会从阳极迁移至阴极,而充电时则相反。其结构形式如图1所示。

值得注意的是,钴酸锂的循环寿命主要受到固体电解质界面(SEI)的影响。随着SEI膜的逐渐增厚,以及在快速充电或低温充电过程中出现的阳极镀锂问题,都会对电池的寿命产生不利影响。

为了应对这些问题,新的材料体系通过增加镍、锰和/或铝的含量,旨在提高钴酸锂的寿命、负载能力并降低成本。

在使用钴酸锂电池时,需要特别留意避免以高于其容量的电流进行充电和放电。例如,一个容量为2,400mAh的18650电池,其充电和放电电流应控制在2,400mA以内。强制进行快速充电或施加过高的负载,可能会导致电池过热和超负荷运行。

此外,钴酸锂电池的性能在多个方面都受到了广泛的关注,包括其具体的能量或容量、功率或提供大电流的能力、安全性、在高低温环境下的表现、寿命以及成本特性等。

然而,随着钴材料的高成本问题日益凸显,以及通过混合其他活性阴极材料带来的显著性能改善,钴酸锂正逐渐被锰酸锂等替代,尤其是NMC和NCA等新型材料。

【锰酸锂 (LiMn2O4)】

锰酸锂因突出的热稳定性和低电阻特性,广泛应用于工具和电动汽车。尖晶石锰酸锂电池首次在1983年的材料研究报告中亮相。其三维尖晶石结构提升了电极离子流动性并确保了电池的安全性。

锰酸锂电池具备低内阻特性,支持快速充电和大电流放电。18650型电芯能在20-30A的电流下持续工作,并控制适度的热量积累。

【镍钴锰酸锂 (NMC)】

NMC因其优异的性能成为电动车理想选择,并以多样的组合满足多种应用需求。NMC电池以其高比能量、良好的比功率以及长的使用寿命著称。

通过精心调配阴极中的镍、锰和钴的比例,如1-1-1或5-3-2的组合,电池制造商能够平衡性能、成本和原材料需求。

新型电解质与添加剂的应用,使得单只电池能够充电至4.4V以上,进而提升了电池的电量。这种电池因其卓越的性能而成为电动车的理想选择。

【镍钴铝酸锂 (NCA)】

NCA展示了高能量及长循环寿命,但其较高的成本和潜在安全问题需关注。NCA电池以其高的比能量和长的使用寿命而著称,适用于电动自行车、医疗设备、电动车、工业领域等。

自1999年以来,这种电池一直被广泛应用于各种领域。其独特的化学稳定性自商业化以来便在市场上占据一席之地。

【磷酸铁锂 (LiFePO4)】

磷酸铁锂应用广泛,以其卓越的安全性和耐久性被用作替代铅酸蓄电池。磷酸锂凭借其出色的电化学性能和低电阻特性,主要通过纳米级磷酸盐阴极材料来实现。其显著优点包括高额定电流、长循环寿命以及优异的热稳定性。

尽管其3.2V的电池标称电压相对较低,这种电池因其高安全性而在多个领域中得到广泛应用。

【钛酸锂 (Li4Ti5O12)】

钛酸锂以出色的低温性能和安全性著称,尽管成本较高。LTO(常指Li4Ti5O12)零应变特性使其在快速充电和低温充电时无SEI膜形成和锂电镀现象,从而提供了优于传统钴掺混的Li-离子与石墨阳极的充放电性能。

钛酸锂电池的应用广泛,包括UPS、电动动力总成(如三菱i-MiEV和本田飞度EV),以及太阳能路灯等领域。

不同电池体系的比能比较突显了钛酸锂在安全性、低温性能以及寿命方面的卓越表现。尽管锂铝(NCA)系统在容量储存上具有显著优势,但其应用场景受限。就比功率和热稳定性而言,锰酸锂(LMO)和磷酸锂(LFP)表现更为优异。而钛酸锂(LTO)虽然容量较低,且价格相对较高,但安全性极高,被誉为最安全的锂离子电池。

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