首先对18650圆柱形锂离子电芯做简要认识

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,由于镍氢电池现在比较少用,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。

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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。

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。

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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:

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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多个单体电池的温差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?Tesla 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势?

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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电池要高于层叠式锂离子电池。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。

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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,远远超出其他材料的电池。

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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。

特斯拉电池板拆解:7000多节18650电池 密密麻麻

电池热管理系统拆解

电池板内除了电池组外,最多都是“冷却液”管路。每组电池都需要通入一定量的“冷却液”。虽然“冷却液”并没有泵驱动主动流动,但整个电池板所有管路都是相通的,“冷却液”可热胀冷缩进行一定范围流动。

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“冷却液”呈绿色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷却液”配合着铝管使用主要是为了保持电池温度的均衡,防止电池局部温度过高导致电池性能下降。特斯拉的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃。控制好电池板的温度可延长电池的使用寿命。

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特斯拉或用新20700电池取代18650电池

特斯拉计划采用20700高性能钴酸锂电池,替换目前的松下18650钴酸锂电池,以提高MODEL 3新车的性能。

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特斯拉正在研发MODEL 3车型,预计该车售价将接近当前主力车型MODEL S的一半,大约在3.5万美元左右,续航里程约200英里(320公里)。特斯拉公司CEO埃隆·马斯克称,MODEL 3将同宝马3系竞争。由于电池重量较大,为了更好的和对手竞争,特斯拉决定研发新的电池技术,为电池系统“减肥”,从而减轻新车重量。

目前,特斯拉主要采用松下提供的18650钴酸锂电池,整个电池组包含数千块独立电池单元;该电池成本约为250美元/千瓦时,能够提供233瓦·时/千克的能量密度。未来特斯拉计划推出新的20700钴酸锂电池,该电池体积虽然更大(注:锂离子电池定义法则——如18650型,即指电池的直径为18mm,长度为65mm,0代表其是圆柱体型的电池。20700应代表直径为20mm,长度为70mm,圆柱形的电池),但在改进了化学成分(电解质和电极)之后提升了能量密度。

因而在达到相同的功率要求时,所需要的电池模块数量减少,整个电池组重量将降低。根据特斯拉的资料,一旦电池能量密度达到333瓦·时/千克,特斯拉MODEL 3的整车重量将同宝马3系相当。

可以说,采用18650电池作为新能源电动汽车的动力之源,在现阶段是最优的选择。随着电池技术工艺的成熟,同时也会出现更多新型的电池应用在新能源电动汽车上。

不过18650,市场上、淘宝上,假货、垃圾货太多了,太难分辨了。