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形狀變，內在基本原理不變

本來這是一篇很無聊的技術文章，我們也想過你會不會對這些技術細節感興趣。但是我相信有人會對為什么電池必須做成三種形狀感興趣。同時，在未來新能源汽車的技術發展中，如何從電池中找到突破口，可以在這個問題中找到答案。

動力電池和儲能電池是目前電池技術應用的兩大場景。儲能電池對應太陽能等設備，動力電池對應新能源汽車。曾經以日韓公司為首的電池科技公司，很久以前就將動力電池的包裝類型分為三大類:圓柱形、方形和軟包。直觀來看，它們的差異只是形態上的，但同時在技術發展和應用方面也有所不同。那么小電池由于形狀不同會怎么樣呢？這是我們本期的主要內容。

日本索尼公司于1992年發明了18650鋰電池，成為目前最常見的圓柱電池設計。比如5號、7號堿性電池都采用這種形狀設計。后期由于電池的應用場景較多，以三星SDI為首的方形電池和以LG華為為首的軟包電池也進入市場。目前，這三項技術也在新能源汽車產品中得到應用。

對于新能源汽車來說，目前三類電池的市場結構相對穩定，沒有最好，只有更好。不同國家的不同車企對三類電池技術的認可度不同。前不久我參加了一個柔性電池的技術培訓，所以我也想在今天的內容中和大家聊聊，給大家反饋一下我們的實際應用水平，這三種不同形狀的電池有什么區別？

●換標不換書，形狀無論如何變化都要遵循基本原則。

由于包裝方式的不同，三種電池的形狀明顯不同。但對電池本身的工作原理沒有影響。制造方法主要針對不同的工作條件、設備應用和更多樣的例子，不是很嚴謹。就像蛋糕被做成不同的形狀，原料烘焙和發酵的原理是一樣的。

“方形電池鋰離子運動示意圖”

以上兩張圖展示了鋰電池本身的工作原理。簡單來說，鋰離子在電解液中從陰極到陽極完成一次放電，然后從陽極回到陰極完成一次充電。因此，三種不同形狀的電池的設計都會遵循電池本身的技術原理，但由于形狀的不同，制造過程分為纏繞和堆疊兩個不同的過程。

◆圓柱形電池

三種形狀的電池通過圓柱繞線、方形繞線和方形疊加，最終都會變成圓柱形、方形和柔性電池。然而，目前只有圓柱形電池在制造標準上是一致的。比如大家熟知的圓柱電池分為14650、18650、21700等型號。很多人認為這是一種電池類型，但它只代表了圓柱形電池的尺寸標準。以目前最成熟的圓柱電池標準18650型為例，而21700型正在經歷不斷的技術進步，有可能取代18650型成為新能源汽車首選的圓柱電池產品。

◆方形電池

方形電池的可塑性更強，可以根據產品的具體需求進行定制。所以大小不同。目前無論是制造工藝還是應用標準，都沒有像圓柱電池那樣明確的標準劃分。但由于靈活性高，在早期新能源汽車上已經使用了很長時間，車企可以根據車輛需求定制方形電池的尺寸，不受圓柱電池標準的限制。方形電池曾被認為是最適合新能源汽車應用的電池設計。目前很多車型都采用方形電池，比如寶馬的I系列車型、榮威ERX5、蔚來的ES8以及未來即將上市的轎車和家庭的增程式SUV。

◆方形軟包電池

另一方面，柔性電池追求更纖薄的體積，在同等容量密度下重量最輕，因為采用疊加制造方式。同樣，靈活的電池也可以根據應用需求定制，從我們手機電池的大小到在新能源汽車中的應用。柔性電池一直是行業內移動設備的首選，但在汽車應用中，其體積的可控性也受到汽車品牌的重視，尤其是插電式混合動力汽車。在考慮整車的布局和重量時，電池體積靈活的優勢更加明顯。目前，通用的別克VELITE 5（查成交價|參配|優惠政策）/VELITE（查成交價|參配|優惠政策） 5、凱迪拉克CT6（查成交價|參配|優惠政策）插電式、XT5混動車型以及日產的Sylphy純電都采用了柔性電池。

點評:三種電池設計都以“換湯不換藥”的方式在市場上占有一席之地。從設計的角度來看，其中并沒有絕對的好壞。但由于最成熟的圓柱電池有固定的全球標準，從制造到應用，整個過程的嚴謹性會更高。電池公司按標準制造電池，車企也按標準設計應用，一致性強。中國曾試圖將歐洲的VDA標準作為方形電池技術的模板，但被引用的公司并不多。最早選擇使用方形電池的車企，也在逐步用圓柱電池替代，只是為了保證產品安全標準的一致性。

而方形柔性電池的突出優勢就是定制化，這就導致了標準和流程的不同。汽車公司和電池供應商必須就設計和工藝要求達成嚴格的協議，這顯然會導致雙方的R&D成本更高。目前車企對這三類電池都有自己的偏好和看法，會選擇自己比較認可的類型進行產品研發。畢竟用戶關心的是車輛續航性能和更好的配重和布局，對電池外形沒有偏好。我們再說一遍。三種電池設計在不同形狀下，在能量密度和安全性方面有什么優勢？

在不同形狀的基礎上，三種電池設計也各有特點，可以通過外殼的材料和內部設計來影響單體電池的能量密度、安全性和重量。我們再舉一個蛋糕的例子。餡料代表單個電池的能量密度，而面粉代表外殼包裝材料的選擇。

不銹鋼外殼一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料。由于工藝標準的不同要求，較輕的鋁殼在方形電池上迅速普及，在重量上也有優勢。但由于追求更輕薄的技術，柔性電池采用鋁塑膜包裝，比鋁殼更輕。你甚至可以用手感受內部液體電池的流動。

除了直接影響電芯的重量，外殼使用的不同材料也對電芯的安全性、發熱性等方面有影響。畢竟，電池應該分組包裝，然后放入車內。鋼殼最硬最重，需要兼顧安全工藝，難度相對較低，而鋁膜殼最軟最輕，單體制造成組封裝時對散熱和碰撞安全的要求也較高。然而，根據外殼材料的選擇，方形電池具有相同的優點和缺點。

不要低估單節電池的重量，這會對分組放入車內的最終包裝產生多層面的影響。更輕的電池組可以使整車重量更低，從而為車企提供更多的布局方式。隨著技術的發展，單體電池越輕，空能量密度越大。例如，在設計車輛時，僅限于裝載一個300千克的電池組。顯然，單元越輕，整個電池組的能量就越高。

然而，當帶鋼殼的氣缸和方形電池安裝在車身上時，控制配重的方案相對簡單。比如目前主流的圓柱形電池組的新能源汽車，都是直接布置在車身下方，這樣可以保證車輛的前后配重即使較重也不會受到影響，但是會影響車輛的離地間隙和車內平臺的高度。但是，有些插電式混合動力汽車會將圓柱形電池組放在后備箱下方，通過與前發動機的重量相匹配來平衡整車的重量，但這樣一來，后備箱的空就會變得很小。

由于電池的形狀不同，三種類型的電池在封裝組的安全性和散熱問題上也有不同的優缺點。圓柱電池雖然重，能量密度低，但封裝時在圓柱之間形成良好的散熱空空間，而方形電池則不同。如果不留縫隙，緊密排列在一起，除了散熱，單體之間的安全性也很難保證。然而，柔性電池的包裝將更加復雜。為了安全，為了保證散熱，也為了不失去柔性電池體積纖薄的優勢，我們可以想象它在封裝和分組上有多復雜。很多車企在包裝時都會仔細考慮三類電池設計的成本投入。目前，工藝難度和成本較低的圓柱形電池是現階段較好的選擇。

點評:簡單來說，如果方形電池和圓柱電池有相同的行業標準，那么兩種電池在應用上的優缺點基本在同一水平上。而柔性電池具有更強的設計靈活性，具有重量輕、能量密度高等更為明顯的優勢，將成為未來更多車企的首選電池類型。但恰恰相反，對制造工藝的要求明顯高于前兩者。生產和包裝上的額外成本和技術要求，都變相提高了新能源汽車的終端售價。因此，柔性電池的極端優缺點也讓一些車企望而卻步。目前新能源汽車使用柔性電池的比例最小。說白了，面對成本，更多的企業還是選擇與另外兩家妥協。

此外，單體電池的類型只是車企選擇研發方向的角度之一，封裝技術也是尤為關鍵的一環。目前，一線新能源車企都有自己的電池實驗室。他們在供應商提供的電池原型基礎上進行二次研發，最后將研究方案推回給供應商，兩人共同敲定所需的電池方案。然后，包裝工作由自己或供應商完成，最后一步是通過精心的配重布置完成裝載。這個過程各方面都有利弊，也是返場企業會選擇哪種電池的關鍵。

●中國電池企業與汽車企業緊密甚至超越，合作共贏。

從單體電池到整車應用，車企和電池公司之間有著密切的合作關系。比如在圓柱電池的應用上，松下和特斯拉保持了多年的技術聯盟，美國通用汽車和LG化學也就柔性電池技術達成了技術共識。在此之前，三星SDI還與寶馬在方形電池上有過很多技術合作。

電池供應商決定了電池可靠的基礎技術，車企的二次研發決定了電池在最終續航、配重、安全三大問題上的表現。ⅲ類電池的核心技術長期被日韓公司掌握，之前已經成為新能源車企首選的電池供應商。近兩年來，與國外相比，我國電池和新能源汽車企業不僅電池技術和應用水平大幅收窄，在產能、質量控制和實際應用性能等方面也更有話語權。外國車企選擇中國電池企業作為首選供應商已經成為常態。

截至2021年，中國電池企業已具備制造圓柱電池、方形電池和柔性電池的綜合技術能力，三類電池的單體能量密度均取得長足進步。近年來，中國電池企業也從圓柱電池、方形電池向柔性電池技術過渡，當代安普瑞斯科技有限公司、李紳、郭萱高新為首的多家公司正在選擇采用柔性電池技術路線。

同時，隨著國內新能源汽車補貼標準對電池能量密度提出更高要求，軟包技術成為實現電池輕量化、高密度的重要手段。今年年初，當代安普瑞斯科技有限公司、李紳、郭萱高新三家承接新型鋰離子動力電池項目的企業，均選擇了軟包電池技術路線，單體電池能量密度達到300Wh/kg。但其對高制造技術的要求也要求相關后市場技術的提升，如外包裝鋁塑膜的技術和產能、高精度疊片、電解液注入和封裝設備技術等。

然而，在走向柔性電池技術的道路上，仍然存在許多實際問題。首先，鋁塑膜技術成本高，國內技術水平有限。尤其是疊片技術的控制要高于繞組。質量控制將直接影響電池壽命和安全性。為了保持產能和質量控制的同步增長，電池公司和汽車公司之間的協同努力更加關鍵。

總結:新能源爆發前，可能會成為一種趨勢。

前幾年我國新能源汽車的動力電池主要是磷酸亞鐵鋰中的方形電池，因為當時中國企業擁有的圓柱電池技術和成本控制能力與海外國家相比并不突出。從車企的角度來看，可定制的方形電池更有利于新能源汽車的快速研發和設計。現在，為了取得更快的成績，當時電池和汽車企業都把方形電池作為過渡技術，但目前圓柱形三元鋰電池已經成為新的主流。

但這并不意味著誰會是最終的技術代表。圓柱形、方形和柔性電池目前對于市場來說都有自己獨特的價值，誰能成為新趨勢也會受到整車研發速度的影響。就我們而言，它們各自的優勢最終能否在產品力方面被車企最大程度地展現出來，才是真正值得我們關注的問題。白貓，黑貓，能抓老鼠的好貓，軟缸，能跑很遠的好電池。