从18650到20700,特斯拉为何对圆柱电池“情有独钟”

小鹏汽车 综合报道

特斯拉将使用20700代替18650作为动力电池,从18650到20700,变的是尺寸,不变的是特斯拉还是坚持使用圆柱电池。

为什么特斯拉会对圆柱电池“情有独钟”,“圆柱电池”身上到底有哪些优点让特斯拉这个“技术男”念念不忘呢?小编就以“现任情人”18650来分析一下。

对于用18650电芯做为新能源电动汽车电池的技术路线,大家首先可能把目光转向特斯拉。特斯拉在进行电池开发时,测试了很多种类的电池,但最后把目标锁定在18650电池,究竟18650的电芯有哪些优缺点,让我们来分析18650的真面目。

首先对18650圆柱形锂离子电芯做简要认识

我们日常常说的18650其实是指电池的外形规格,是日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。18650电池原指镍氢电池和锂离子电池,由于镍氢的现在比较少用,所以现在多指锂离子电池。18650锂离子电池单节标称电压一般为:3.6V 或3.7V;最小放电终止电压一般为: 2.5~2.75V。常见容量为1200~3300mAh。

关于一致性

18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池,广泛应用在电子产品中。多年来,日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的经验,使得产出的18650电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。

相比之下,层叠式锂离子电池远远没有成熟,常见的有方形电池、软包电池,甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一,电池厂商所具备的生产工艺也不能满足条件,大多数以人为控制为主,电池的一致性达不到18650电池的水准。如果电池的一致性达不到要求,大量电池串、并联形成的电池组的管理也将不能让每个电池的性能更好地发挥,而18650电芯可以解决这一问题。

特斯拉所使用的松下18650圆柱电池

特斯拉使用的松下18650圆柱电池

总结来说,18650电池的单体容量小,所需的单体数量会很多(Model S有7104只),但是一致性很好;层叠式电池的容量可以做得较大(20 Ah到60 Ah),单体数量可以降低,但是一致性差。相比之下,现阶段很难投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善层叠式电池的生产工艺。因此,在研发Roadster和Model S的时候,Tesla的唯一选择是从市场上去购买电池,自行开发电池系统。开发一套管理6000多节单体一致性很好的电池系统与开发一套200多节一致性很差的电池系统,相比之下,前者的技术难度应该更低一些。即使单体电池数目增多,但是如果这些电池的性能是可靠的,管理起来还是容易一些。

对比另一款很成功的纯电动汽车,日产的LEAF,它采用的是层叠式锂离子电池。这是因为日产与NEC合作多年,在电池技术方面积累很深厚,在品质控制方面应该有相当的功力。LEAF的电池来自AESC,日产与NEC的合资公司。

对比下美、日、中等不同地区的汽车厂商在开发电动汽车时与电池厂商的合纵连横是一件非常有意思的事情。

关于散热能力

层叠式电池的厚度薄、表面大,均热、散热能力都不错,因此日产的LEAF很大胆地采用了被动式热管理系统(其实就是不管理!),由空气的自然对流将热量带走。

从左到右,LEAF从单体,到四节单体电池两并两串组成的电池模块,再到由48个电池模块串联组成的电池组如下图所示:

日产LEAF的NEC电池

日产LEAF使用的NEC层叠电池

可以看到,电池组上没有任何的风扇、冷却液管道等热管理系统。大概这就是无招胜有招。

反过来看Tesla,18650电池的个头比较小,在正常充放电时单体电池内部的温差也不会太大。但是,6000多个单体电池的温度也应当保持在不超过5°C的范围内,这是一件非常困难的事情。但是,Tesla做到了。怎么做到的?参看Tesla 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势?

特斯拉电池模组中的液冷系统

特斯拉电池模组中的液冷系统

如上图,这些管道是冷却液的流道,流道均匀分布在电池模组中间,能让每只电芯能很好地跟水管接触,这样每只电芯在冷却时带走的热量也几乎一样,温差也就可以有效地控制在很小的范围内。

总结来说,由于采用了小容量的18650电池,Tesla的热管理系统的复杂度是大大增加了的。也就是说,如果从散热能力方面考虑,使用小容量的18650电池不是最优选择。

关于能量密度

谈到能量密度,就必须区分单体电池的能量密度与电池组的能量密度。

就单体电池的能量密度来看,18650电池是要高于层叠式锂离子电池。我这里查到的日产LEAF所用的33 Ah锂离子电池的能量密度是157 Wh/kg,GM Volt所用的层叠式电池的能量密度约为150 Wh/kg;而Roadster所用的18650电池的能量密度约为211 Wh/kg。但是,18650电池的管理系统更加复杂,由此额外增加的重量会使得电池组的能量密度远低于单体的能量密度。Roadster的电池组重量是450 kg,能量密度是118 Wh/kg,而LEAF电池组的重量是225 kg,能量密度是107 Wh/kg。在电池组层次,两者的能量密度已经不相上下。

关于安全性

前面提到层叠式锂离子电池的各种优点,但它也有一些缺点。由于层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的,而铝塑膜的厚度薄,机械强度差,在汽车发生碰撞等极端情况下,铝塑膜很容易发生破损导致安全事故产生。这也就解释了为什么日产要在4个单体组成的电池模块外面再加一个铝壳。

18650电池一般是钢壳,安全性更好;而且前面也提到随着18650电池生产工艺水平的的不断提高,安全性也在不断提高。

Tesla在应对这些18650电池可能出现的安全事故上,也倾注了很多心血。如果一个单体电池出现温度过高等异常情况,根据异常情况的恶劣程度,这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。由于单体容量小,只要不发生蔓延,事故的严重程度将是较低的。

关于成本

18650锂离子电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点,又因为体积小,重量轻,使用方便,深受消费者的青睐。随着人们对18650电池技术研究的不断加深,使得电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。作为最早的锂离子电池,18650电池也是目前世界上最成熟、最稳定的电池组合,至今仍然占据领先位置。我国每年生产18650电池约几十亿节,这一数据远远超出其他材料的电池。

而Tesla采用18650电池,就可以利用日本松下等厂商之前的生产线进行生产。在消费类电子产品所用18650电池竞争日趋激烈的情况下,松下等厂商与Tesla合作升级产品,将原有的生产线改良后用于生产动力电池。工业生产有一个规模效应,当生产产品的规模达到一个量级之后,成本会大大降低。一辆新能源汽车就需要成千上万节18650电池,因此单体的采购成本可控。

可以说,采用18650、20700等圆柱电池作为新能源电动汽车的动力之源,在现阶段可以说是最优的选择。但是随着电池技术工艺的成熟,未来也会出现更多新型的电池应用在新能源电动汽车上。

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