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電池化學原理一樣,為什么會有方形、軟包、圓柱三種電池?

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瀏覽:- 發布日期:2024-03-06 09:55:05【

方形動力電池防爆閥

目前市面上電池包括下三種,從形狀上來區分,分別是:圓柱電池、方形電池、軟電池。


電池防爆閥

(圓柱形電池形似日常生活中的5號電池)


方形電池防爆片

(方形電池由方形鋁合金外殼加固并包裹)


動力電池防爆片

(軟包電池由鋁塑復合膜作為封裝材料)



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簡單理解:這三類電池主要是在外形上做區分。以目前市面上主流新能源電車為例,特斯拉公司旗下的所有新能源電車都是采用的圓柱18650電池,對比國產車型,目前只零跑、江淮、奇瑞這類的小型汽車使用和特斯拉一樣的圓柱電池;而未來全系列、比亞迪等國產車型大多數使用的仍然是方形電池;奧迪e-tron、奔馳EQC還有保時捷Taycan則使用的是軟電池。

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接下來給大家介紹,三種電池的類比情況

圓柱電池
優點:技術成熟成本較低、穩定耐用、單體一致性好
缺點:能量密度的上升空間小、對電池管理系統的要求高
常見的圓柱形18650電池分別為:磷酸鐵鋰電池、鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池標稱電壓為 3.2V,充電截止電壓為 3.6V;鋰離子電池標稱電壓為 3.7V,充電截止電壓為 4.2V,磷酸鐵鋰電池標稱電壓為 3.2V;容量通常為 1200mAh-3350mAh,常見容量是 2200mAh-2600mAh。



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圓柱電池的內部結構可以比喻一個豆皮卷、千張卷盤踞在外殼之內。
它還有很多的種類型號,比如常見的有 14650、17490、18650、21700、26650 等,我們以 18650 舉例說明,18 指的是電芯直徑為 18mm,65 則為高度 65mm,0 則代表著其圓柱形狀,其他以此類推。
而自從18650 換裝 21700 后,電池的能量密度提升了將近近 20%,成本更是低于 18650,那么造更大的圓柱電池不就可以了?


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其實,電池容量每上升 10%,電池的循環壽命就會降低 20%。因為18650 電池以及 21700 電芯的充電電壓峰值是 4.2V。就一般的方塊電池來說普遍是在 3.9V 左右。電池充電電壓每降低 0.10V,它的循環充電壽命可以增加一倍。按以上兩種圓形電芯說明,它的單體循環次數是 300-500 次,而方塊電芯則更長,磷酸鐵鋰的電池充電電壓是在 3.6V-3.8V。而電池容量的增加,充放電倍率會下降 30%-40%,電芯溫度反之則會上升 20%,這就說明需要更強的電池管理系統來對電池進行有效控制。
方形電池

優點:強度高、內阻小、壽命長、空間利用率高

缺點:廠商需求不一樣,規格多且難統一

方形電池是目前電池領域里應用最廣泛的,國內目前主流的汽車廠商如:吉利、蔚來等一系列新能源汽車都是采用的方形電池。


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方形電池一般為鋁殼或者鋼殼為主,國內電池廠商基本多為采用電池密度更高的方形鋁殼電池為主要,很大一部分原因是因為方形電池的結構相對來說較為簡單,不像圓柱電池采用不銹鋼作為電池殼體以及防爆閥等附件,所以重量上與之圓形電池對比,方形動力電池更輕、能量密度更高。其結構強度高、忍受機械載荷能力好,電池內阻小,壽命長、組成后的能量密度下降小,空間利用率高。



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蔚來汽車模塊化靈活裁剪電池容量專利申報圖



電動汽車采用的方形電芯也各有不同,方形電池因為要應對不同空間的利用,就要根據不同的需求進行定制化生產。但靈活性高的背后是標準化程度低,工藝很難達到統一。
軟包電池
優點:能量密度極高、重量輕
缺點:成本高,需要額外防護防止電池受損和熱失控,更容易因為膨脹產生內應力、膨脹力,導致電池內部的結構都會發生改變。
電池在汽車市場的應用,嚴格來講其實并不多,但我們在日常生活中,它的出現并不陌生。比如手機內置電池就是采用的“軟包電池”,但在3C數碼上,更多稱呼它為“聚合物電池”。軟包電池的優勢與劣勢都非常明顯,因為軟包的電池的形狀是可以靈活設計的,所以統一型號的現有軟包電池的數量實在不多,另外研發及生產軟包電池的成本在三類電池種類中屬于最高。


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軟包鋰電池是液態鋰電池之上,套上了一層聚合物的外殼,跟其它電池最根本的不同之處在于它的軟包裝材料(鋁塑復合膜),這也是軟包鋰電池最關鍵以及技術難度最高的材料,這就是為什么國內電池廠商一直沒有大幅度使用軟包電池的原因之一。
軟包電池采用熱封裝的原因是其使用了鋁塑包裝膜材料,通常分為三層,即外阻層(一般為尼龍 BOPA 或 PET 構成的外層保護層)、阻透層(中間層鋁箔)和內層(多功能高阻隔層)。


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鋁塑復合膜外觀及內部結構示意圖



三種電池結構的派系之爭
經過或卷繞或疊加這兩種不同的結構工藝完成內部組織的生產之后,電池走了三條不同道路:圓柱、方形和軟包。雖然本質上三種路線的電化學原理都一樣,材料組成也基本相同,但就是這不同的封裝形式和形狀特征,決定了三類電池生產廠商迥然的道路。
目前國內市場,方形鋁殼占絕對優勢,主要原因為 CATL 和比亞迪等龍頭企業的頭部效應;國內的圓柱和軟包電池企業技術發展相對滯后。
硬殼持續降本,正在實現國產替代

目前,主流的電池封裝技術主要有方形電池、圓形電池以及軟包電池三類。動力電池的安全性和使用壽命都受其封裝工藝的影響,不同的封裝技術都具有不同的技術壁壘。封裝工藝設計除需滿足耐撞擊振動和擠壓穿刺的物理沖擊外,也需滿足防火阻燃等化學性能要求。


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在軟包封裝需求特殊、圓柱電池發展滯后的背景下,方形電池仍將繼續主導市場。對汽車企業而言,電池的安全要求是一個復合因素,受多方面影響。這些因素包括電池性能的差異、車輛使用環境、安全標準、法規以及車企技術能力等。每家廠商在方形電池規格和防爆需求方面都有所不同,具體數值會根據電池類型和設計要求有所調整,導致防爆片的種類選擇也各異。隨著技術的不斷進步和安全意識的提高,對電池安全的重視將成為汽車制造業發展的重要方向 。因此,在選擇合適的防爆片解決方案時,需要根據實際情況和需求做出理性的判斷,以確保電池系統的安全性和可靠性。



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(禾聚精密電池防爆片類型圖)



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