對于用18650電芯做為新能源電動汽車電池的技術(shù)路線,，大家可能首先把目光轉(zhuǎn)向特斯拉,。特斯拉在進(jìn)行電動汽車電池開發(fā)時,，測試了很多種類的電池，但最后把目標(biāo)鎖定在18650電池,，那么究竟18650電芯有哪些優(yōu)缺點？
首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認(rèn)識
18650其實是指電池的外形規(guī)格，是日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號,，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm,，0表示為圓柱形電池,。18650電池原指鎳氫電池和鋰離子電池，由于鎳氫電池現(xiàn)在比較少用,，所以現(xiàn)在多指鋰離子電池,。18650鋰離子電池單節(jié)標(biāo)稱電壓一般為3.6V 或3.7V；最小放電終止電壓一般為2.5～2.75V,。常見容量為1200～3300mAh,。
關(guān)于一致性
18650電池是最早、最成熟,、最穩(wěn)定的鋰離子電池,，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。多年來,，日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗,，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn),。
相比之下,，層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟，常見的有方形電池,、軟包電池,，甚至連尺寸、大小,、極耳位置等都不統(tǒng)一,，電池廠商所具備的生產(chǎn)工藝也不能滿足條件，大多數(shù)以人為控制為主,，電池的一致性達(dá)不到18650電池的水準(zhǔn),。如果電池的一致性達(dá)不到要求，大量電池串,、并聯(lián)形成的電池組的管理也將不能讓每個電池的性能更好地發(fā)揮,，而18650電芯可以解決這一問題。
總結(jié)來說,，18650電池的單體容量小,，所需的單體數(shù)量會很多（Model S有7104只），但是一致性很好；層疊式電池的容量可以做得較大（20 Ah到60 Ah）,，單體數(shù)量可以降低,，但是一致性差。相比之下,，現(xiàn)階段很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝,。因此，在研發(fā)Roadster和Model S的時候,，Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池,，自行開發(fā)電池系統(tǒng)。開發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng),，相比之下,，前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池數(shù)目增多,，但是如果這些電池的性能是可靠的,，管理起來還是容易一些。
對比另一款很成功的純電動汽車,，日產(chǎn)的LEAF,，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產(chǎn)與NEC合作多年,，在電池技術(shù)方面積累很深厚,，在品質(zhì)控制方面有相當(dāng)?shù)墓αΑEAF的電池來自AESC--日產(chǎn)與NEC的合資公司,。
對比下美,、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開發(fā)電動汽車時與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情,。
關(guān)于散熱能力
層疊式電池的厚度薄,、表面大，均熱,、散熱能力都不錯,，因此日產(chǎn)LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(tǒng)（其實就是不管理！）,，由空氣的自然對流將熱量帶走,。
從左到右，LEAF從單體,，到四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊,，再到由48個電池模塊串聯(lián)組成的電池組如下圖所示：
可以看到，電池組上沒有任何的風(fēng)扇,、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng),。大概這就是無招勝有招,。
反過來看Tesla，18650電池的個頭比較小,，在正常充放電時單體電池內(nèi)部的溫差也不會太大,。但是，6000多個單體電池的溫差也應(yīng)當(dāng)保持在不超過5 C的范圍內(nèi),，這是一件非常困難的事情。但是,，Tesla做到了,。怎么做到的？Tesla 的電池管理系統(tǒng) （BMS） 相比其他電動汽車有哪些優(yōu)勢,？
如上圖,，這些管道是冷卻液的流道，流道均勻分布在電池模組中間,，能讓每只電芯能很好地跟水管接觸,，這樣每只電芯在冷卻時帶走的熱量也幾乎一樣，溫差也就可以有效地控制在很小的范圍內(nèi),。
總結(jié)來說,，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的,。也就是說,，如果從散熱能力方面考慮，使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選擇,。
關(guān)于能量密度
談到能量密度,，就必須區(qū)分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。
就單體電池的能量密度來看,，18650電池要高于層疊式鋰離子電池,。日產(chǎn)LEAF所用的33 Ah鋰離子電池的能量密度是157 Wh/kg，GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kg,；而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211 Wh/kg,。但是，18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜,，由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度,。Roadster的電池組重量是450 kg，能量密度是118 Wh/kg,，而LEAF電池組的重量是225 kg,，能量密度是107 Wh/kg。在電池組層次,，兩者的能量密度已經(jīng)不相上下,。
18650跟26650的能量密度,。這里按重量計算，因為重量關(guān)系到拿起來累不累,。
26650 5000毫安時,。18650 ga 3300毫安時。問題是26650 93g,，18650只有47g,。
意味著，那么,，這么推理,，按26650能量密度，18650只有2527毫安時,。按18650能量密度,，26650應(yīng)該要有6530毫安時！,！但實際只有5000毫安時,。
繼續(xù)推理，2個18650 94g,，6600毫安時,，重量約等于1個26650，但容量大了1600毫安時,，多了32%,。2個可以提供20A放電能力了。所以,，18650按重量計算,，比26650更適合手電使用！
圖為包皮26650,，18650為ga自己包皮的,。
目前應(yīng)用比較廣泛的18650電池已有多年的發(fā)展歷史，相對其他類型電池技術(shù)雖然較成熟,，但依然面臨著產(chǎn)熱高,、成組復(fù)雜、無法實現(xiàn)快充等問題,。在這樣的背景下,，21700圓柱三元電池應(yīng)運而生。
2017年1月4日,，特斯拉宣布與松下聯(lián)合研發(fā)的新型21700電池開始量產(chǎn),，并強(qiáng)調(diào)這是目前可量產(chǎn)電池中能量密度最高且成本最低的電池。
21700電池：
電池21700是圓柱型電池的型號,，具體指：21——指圓柱電池的外徑為21mm,；700——指圓柱電池的高度為70．0mm,。
這是為了適應(yīng)電動汽車對更長續(xù)行里程的要求，為提高車輛電池空間有效利用率,，而開發(fā)出的新型號,。同種材料，21700相比常見的18650圓柱鋰電池,，容量可以高35％以上,。
新型21700具有四大顯著的優(yōu)勢：
（1）電池單體容量提升35％,。以特斯拉生產(chǎn)的21700電池為例,，從18650型號切換至21700型號后，電池單體電池容量可以達(dá)到3～4．8Ah,，大幅提升35％。
?。?）電池系統(tǒng)能量密度提升約20％,。特斯拉披露的數(shù)據(jù)來看，早期使用的18650電池系統(tǒng)能量密度約250Wh／kg,，后來其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)能量密度在300Wh／kg左右,，21700電池的體積能量密度比原有的18650高出近20％。
?。?）系統(tǒng)的成本預(yù)計下降9％左右,。從特斯拉披露的電池價格信息分析，21700電池的動力鋰電池系統(tǒng)售價為170美元／Wh,，而18650電池系統(tǒng)的售價為185美元／Wh,。在Model3上使用21700電池后，僅電池系統(tǒng)成本就可以下降約9％,。
?。?）系統(tǒng)的重量預(yù)計下降10％左右。21700整體體積大于18650,，隨著單體容量提升后,，單體能量密度更高，所以同等能量下所需電池單體的數(shù)量可減少約1／3,，在降低系統(tǒng)管理難度的同時也將減少電池包采用的金屬結(jié)構(gòu)件及電氣配件的數(shù)量,，這進(jìn)一步降低了電池的重量。三星SDI改用一套新型21700電池之后,，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)相比目前的電池減少10％重量,。
保持了18650型電池所具有的高可靠性和穩(wěn)定的性能，21700電池性能在各方面均比18650有較大提升,。此外,，相較于其他電池型號,，21700從電池原材料選用、制作工藝和技術(shù)流程等方面,，都和技術(shù)較成熟的18650電池相似,。因此18650與21700的產(chǎn)線大部分可以兼容，部分企業(yè)比較穩(wěn)妥的辦法是在生產(chǎn)線上做文章,，將生產(chǎn)線向21700和18650兼容上靠攏,。
動力電池追求高比能已成不可逆的趨勢，眾多電池企業(yè)開始把目光轉(zhuǎn)向布局21700電池,。一些企業(yè)的生產(chǎn)線從國外進(jìn)口,，但組裝上都是自己進(jìn)行，因此可以投入較少的成本實現(xiàn)18650向21700的轉(zhuǎn)化,。
目前國內(nèi)廠商代表有力神電池,、比克電池、億緯鋰能,、猛獅科技等企業(yè),，除此之外，天臣新能源,、天鵬電源,、創(chuàng)明新能源、智慧能源,、智航新能源,、橫店東磁、海四達(dá),、安徽泰能等電池企業(yè)也紛紛布局21700電池,。
純電動車電池的能量密度高低有多重要？
這似乎就像在討論心臟的跳動對于人體有多重要一般,，一輛純電動車,，或者說的更標(biāo)準(zhǔn)一點，一輛電池動力車的性能,、續(xù)航里程,、可靠性都取決于其電池包內(nèi)的電池數(shù)量以及單節(jié)電池內(nèi)的能量密度。這個公式很好理解：總電量=電池數(shù)量×單節(jié)電池能量密度,。
而現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計其實已經(jīng)很死板了,，留給電池組的空間也就那么一點，大部分車型都集中在坐艙地板下方,，當(dāng)然這也是出于安全性和空間性的考慮,。
所以說，電池數(shù)量已經(jīng)被限制在某一個區(qū)間內(nèi),，無法大幅提升,。想要增強(qiáng)電池車性能,，唯有在能量密度上做文章。
什么是電池能量密度,？
能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小,。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度,，基本單位為Wh/kg（瓦時/千克）,。
電池的能量密度越大，單位體積內(nèi)存儲的電量越多,。
據(jù)悉,，電池的能量密度基本由電池的正負(fù)極決定的，但只是正負(fù)極活性材料也不能保證電池能發(fā)上電,，得有很多非活性物質(zhì),，比如導(dǎo)電輔助劑、活性粉末之間的粘結(jié)劑,、隔離膜,、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙,、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。
我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質(zhì)的含量,，得出的能量密度與事實相差較大,，誤導(dǎo)吃瓜群眾。其實,，這部分相當(dāng)重要,，就拿過去十幾年的技術(shù)進(jìn)步來說，電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質(zhì)占比的提升來實現(xiàn)的,。
還有的就是以增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)容的效果,。
我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。而原因并非18650電池有任何質(zhì)量問題,，只是18650電池單顆容量小,，普遍在2-4Ah左右，串并聯(lián)數(shù)量過多,，單體失效風(fēng)險概率較大,，導(dǎo)致其在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定的限制。
而21700電池在尺寸上相比18650電池（直徑18mm,，長度65mm）更大,，達(dá)到了直徑21mm，長度70mm,。如果想再形象一點來考慮這個問題,，我們不妨來看看來自Hitech Energy的計算,，僅考慮單體的密集堆積進(jìn)行計算，可知：30支21700的體積是40支18650體積的1.1倍,，質(zhì)量則為0.97倍,。
在同等能量下，所需電池的數(shù)量可減少約1/3,，電池包內(nèi)部金屬連接件數(shù)量減少,，從而進(jìn)一步降低電池包的重量，整車的能量密度將得到部分提升,，達(dá)到接近300kw/kg,。
以下三點尤為引人注意：
1.到2020年，鋰離子動力電池單體比能量大于300Wh/kg;系統(tǒng)比能量爭取達(dá)到260Wh/kg;成本小于1元/瓦時;使用環(huán)境達(dá)-30℃到55℃;具備3C充電能力,。
2.到2025年,，單體比能量達(dá)500Wh/kg。
3.力爭實現(xiàn)單體電池350Wh/kg,、系統(tǒng)260Wh/kg的鋰離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和整車應(yīng)用,。
我國各電池動力鋰電池能量密度達(dá)到什么水平了呢？
比亞迪：目前,，比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh,，而接下來比亞迪計劃將能量密度繼續(xù)提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池,，比亞迪也在同步開發(fā)三元鋰電池,，而如果將三元鋰電池的技術(shù)結(jié)合到磷酸鐵鋰電池上，對原有用石墨作為負(fù)極材料的做法進(jìn)行一些調(diào)整,，那么在2020年左右,，比亞迪計劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。
另外,，在跟進(jìn)的三元電池方面,，比亞迪的三元電池已經(jīng)具備量產(chǎn)條件，目前能量密度也達(dá)到了200Wh/kg,。比亞迪三元電池的目標(biāo)是2018年電池比能量達(dá)到240Wh/kg,，2020年達(dá)到300Wh/kg。
沃特瑪：生產(chǎn)的32650圓柱型動力磷酸鐵鋰電池,，單體能量密度已經(jīng)達(dá)到145Wh/kg,，下一步目標(biāo)是實現(xiàn)160Wh/kg;三元電池目前能量密度為200Wh/kg，預(yù)計到2020年達(dá)到300Wh/kg的水平,。
國能電池：早在2013年,，國能磷酸鐵鋰和三元電池單體能量密度就達(dá)到了160Wh/kg和200Wh/kg。預(yù)計2017年年底，磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達(dá)到180Wh/kg,、PACK達(dá)到134Wh/kg,，三元電池能量密度將突破240Wh/kg。
捷威動力：在能量密度方面,，公司目前已經(jīng)量產(chǎn)的三元軟包電池單體比能量達(dá)210WH/Kg,。在提高電池安全性的基礎(chǔ)上，預(yù)計2020年公司軟包電池單體能量密度可達(dá)300WH/Kg,，Pack成組后可達(dá)220WH/Kg;鈦酸鋰電池單體能量密度達(dá)到110WH/Kg以上,。
智慧能源：公司量產(chǎn)的動力電池單體能量密度可達(dá)220Wh/Kg，PACK成組后能量密度達(dá)到140Wh/Kg,。同時,，公司BMS系統(tǒng)可做到5級防護(hù)，電池包采用輕量化材料,，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,。
比克電池：2016年，比克三元材料動力電池行業(yè)占比30%以上,，位列第一,。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg，后續(xù)還將進(jìn)一步提升至300Wh/kg,。
卡耐新能源：卡耐新能源已經(jīng)可以批量供應(yīng)能量密度220Wh/kg電芯,，系統(tǒng)比能量大于130Wh/kg電芯，同時工藝和技術(shù)層面已經(jīng)分別實現(xiàn)250Wh/kg,、技術(shù)300Wh/kg產(chǎn)品儲備,。