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圆柱电池优势剖析

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圆柱电池优势剖析

  • 分类:行业资讯
  • 作者:谭祖宪
  • 来源:鹏诚新能源
  • 发布时间:2022-05-12 17:29
  • 访问量:

圆柱电池优势剖析

【概要描述】自2020年9月份特斯拉电池日提出了4680大圆柱电芯以来,大圆柱电芯在市面上再次成为行业人士茶余饭后的焦点。除了特斯拉之外,国内的头部电芯厂也都纷纷开始加入大圆柱电芯的批量产业化投入中,比如亿纬锂能在湖北投产4680和4695大圆柱的量产。

  • 分类:行业资讯
  • 作者:谭祖宪
  • 来源:鹏诚新能源
  • 发布时间:2022-05-12 17:29
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   2020年9月份特斯拉电池日提出了4680大圆柱电芯以来,大圆柱电芯在市面上再次成为行业人士茶余饭后的焦点。除了特斯拉之外,国内的头部电芯厂也都纷纷开始加入大圆柱电芯的批量产业化投入中,比如亿纬锂能在湖北投产4680和4695大圆柱的量产。

 

 

       根据特斯拉展示的数据看,4680大圆柱电芯将在2170圆柱电芯的基础上能量提升5倍,里程提高16%,且成本下降14%,其技术诱惑力非常显著。然而,过去在国内新能源汽车快速发展的时期,包括CATL、BYD等一线品牌都将重点放在方块电芯技术路线上,目前动力电池产业化基本上以方块电芯为主,甚至包括特斯拉也有在国内采购容量161Ah左右的方形电芯用于其某款车型上。从技术的专业角度看,两种技术路线都有自己存在的价值和优势,在一个复杂的电池系统里,虽然电芯占比成本最高,但从安全性、性价比等方面分析的话也不能只将注意力集中在电芯一个维度上,比如特斯拉通过先进的管理系统设计将圆柱18650、21700产业化应用在能量超过70KWH的电动汽车上,实际上是采用先进的管理来优化电池系统性能的优秀案例。

       基于目前圆柱电芯的热度,本文作者重点分析一下圆柱电芯的优势,供行业相关人士共同探讨(需要说明的是:分析圆柱电芯的优势也仅仅是相对优势,并无排斥其他技术路线的意图)。在作者看来,圆柱电芯在实际的应用中主要有如下三大优势可供参考:

一、小容量的灵活性优势

       圆柱电芯由于尺寸和工艺限制,单颗电芯容量通常较小,例如18650三元电芯3.5Ah、32700铁锂电芯6Ah、33140铁锂电芯15Ah、34190铁锂电芯20Ah等。抛开电动汽车以及大型储能市场领域来看,在其他领域,如特种车辆(AGV)、便携式储能、家庭储能等通常单模组电池容量并不是很大,在实际应用中定位于汽车和大型储能的大容量方块电芯并不一定刚好匹配市场需求,包括尺寸、容量等。而小容量圆柱电芯可以通过并联形式满足一定市场需求的电池模组容量需要,例如应用于AGV小车的锂电池24V60Ah和48V30Ah两种型号是比较普遍的需求,采用圆柱32700、33140以及34190等3种型号都可以并联组合成需要的60Ah或者30Ah模组,同时可以在空间结构上有更多的灵活操作可能性,满足不同车型的设计需求。

二、圆柱电芯的成本优势

      1、所有锂离子电芯的生产制造中,圆柱电芯的工艺标准化程度是最高的,也是最早商业化的电芯,装配效率明显高于方块电芯和软包电芯。圆柱电芯的卷绕工艺随着自动化程度的逐步提升目前达到200PPM(200pcs/min)的水平,即使大圆柱(例如33140、34190、4680等)效率稍低于传统的18650/21700圆柱电芯,但也远高于方块电芯、软包电芯的叠片工艺或者卷绕工艺效率(通常在10PPM左右)。

      2、圆柱电芯容量小的原因是将涂布之后的带状连续极片分切为条状的小极片,极片小型化可以提高整个极片物料的利用率,比如极片涂布中有局部区域有瑕疵,也只需损失一小片极片物料,相对于方形电芯和软包电芯的单个极片而已,圆柱电芯极片面积小很多而导致物料损耗大为降低。通常在相同的筛选标准下、自动化水平等条件下,圆柱电芯的物料利用率高于方形电芯3-5%以上。

三、圆柱电芯的散热效果优势明显

       我们知道,锂离子电池起火原因都是基于“热失控”产生的,热失控蔓延也是电池系统安全性能的主要关注点,圆柱结构是最有可能解决热失控的方案,而方形和软包结构基本上是无解的。

      1、单颗容量低导致热失控释放出来的能量就小,不同于高能量的大容量方形电芯或者软包电芯。同时随着材料安全性的逐步提升,热失控造成的热量释放降低,显著增加电池系统的安全性。

      2、圆柱电池的弧形表面结构在一定程度上限制了电芯之间的热传递过程,对热失控蔓延有一定的积极正向作用,而方形电芯和软包电芯在这方面基本上是无解的。圆柱电芯在成组过程中电芯与电芯之间接触是弧面上的“线”接触,而方形和软包是“面”接触,“线”接触使得热量的传递效率显著降低,同时圆柱电芯除了“线”接触之外,电芯之间还有很大的空间,即使在不填充隔热介质的条件下空气也很好的降低了热量的传递,再者,圆柱电芯随着“全极耳”工艺的推广,其热量传递在电芯上下端盖上更多,而弧形表面热量传递也会降低。

       上述是基于不同结构锂电池在不同应用场景的一些分析和思考,虽然重点在剖析圆柱电芯的优势,但也不可否认圆柱电芯在某些应用领域存在的“短板”,同时也需要客观认识方形电芯、软包电芯的自身优势,行业人士也有很多关于各种类型电芯的优缺点对比文献,读者可以查阅参考。

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