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电池化学原理一样,为什么会有方形、软包、圆柱三种电池?

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浏览:- 发布日期:2024-03-06 09:55:05【

方形动力电池防爆阀

目前市面上电池包括下三种,从形状上来区分,分别是:圆柱电池、方形电池、软电池。


电池防爆阀

(圆柱形电池形似日常生活中的5号电池)


方形电池防爆片

(方形电池由方形铝合金外壳加固并包裹)


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(软包电池由铝塑复合膜作为封装材料)



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简单理解:这三类电池主要是在外形上做区分。以目前市面上主流新能源电车为例,特斯拉公司旗下的所有新能源电车都是采用的圆柱18650电池,对比国产车型,目前只零跑、江淮、奇瑞这类的小型汽车使用和特斯拉一样的圆柱电池;而未来全系列、比亚迪等国产车型大多数使用的仍然是方形电池;奥迪e-tron、奔驰EQC还有保时捷Taycan则使用的是软电池。

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接下来给大家介绍,三种电池的类比情况

圆柱电池
优点:技术成熟成本较低、稳定耐用、单体一致性好
缺点:能量密度的上升空间小、对电池管理系统的要求高
常见的圆柱形18650电池分别为:磷酸铁锂电池、锂离子电池。磷酸铁锂电池标称电压为 3.2V,充电截止电压为 3.6V;锂离子电池标称电压为 3.7V,充电截止电压为 4.2V,磷酸铁锂电池标称电压为 3.2V;容量通常为 1200mAh-3350mAh,常见容量是 2200mAh-2600mAh。



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圆柱电池的内部结构可以比喻一个豆皮卷、千张卷盘踞在外壳之内。
它还有很多的种类型号,比如常见的有 14650、17490、18650、21700、26650 等,我们以 18650 举例说明,18 指的是电芯直径为 18mm,65 则为高度 65mm,0 则代表着其圆柱形状,其他以此类推。
而自从18650 换装 21700 后,电池的能量密度提升了将近近 20%,成本更是低于 18650,那么造更大的圆柱电池不就可以了?


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其实,电池容量每上升 10%,电池的循环寿命就会降低 20%。因为18650 电池以及 21700 电芯的充电电压峰值是 4.2V。就一般的方块电池来说普遍是在 3.9V 左右。电池充电电压每降低 0.10V,它的循环充电寿命可以增加一倍。按以上两种圆形电芯说明,它的单体循环次数是 300-500 次,而方块电芯则更长,磷酸铁锂的电池充电电压是在 3.6V-3.8V。而电池容量的增加,充放电倍率会下降 30%-40%,电芯温度反之则会上升 20%,这就说明需要更强的电池管理系统来对电池进行有效控制。
方形电池

优点:强度高、内阻小、寿命长、空间利用率高

缺点:厂商需求不一样,规格多且难统一

方形电池是目前电池领域里应用最广泛的,国内目前主流的汽车厂商如:吉利、蔚来等一系列新能源汽车都是采用的方形电池。


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方形电池一般为铝壳或者钢壳为主,国内电池厂商基本多为采用电池密度更高的方形铝壳电池为主要,很大一部分原因是因为方形电池的结构相对来说较为简单,不像圆柱电池采用不锈钢作为电池壳体以及防爆阀等附件,所以重量上与之圆形电池对比,方形动力电池更轻、能量密度更高。其结构强度高、忍受机械载荷能力好,电池内阻小,寿命长、组成后的能量密度下降小,空间利用率高。



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蔚来汽车模块化灵活裁剪电池容量专利申报图



电动汽车采用的方形电芯也各有不同,方形电池因为要应对不同空间的利用,就要根据不同的需求进行定制化生产。但灵活性高的背后是标准化程度低,工艺很难达到统一。
软包电池
优点:能量密度极高、重量轻
缺点:成本高,需要额外防护防止电池受损和热失控,更容易因为膨胀产生内应力、膨胀力,导致电池内部的结构都会发生改变。
电池在汽车市场的应用,严格来讲其实并不多,但我们在日常生活中,它的出现并不陌生。比如手机内置电池就是采用的“软包电池”,但在3C数码上,更多称呼它为“聚合物电池”。软包电池的优势与劣势都非常明显,因为软包的电池的形状是可以灵活设计的,所以统一型号的现有软包电池的数量实在不多,另外研发及生产软包电池的成本在三类电池种类中属于最高。


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软包锂电池是液态锂电池之上,套上了一层聚合物的外壳,跟其它电池最根本的不同之处在于它的软包装材料(铝塑复合膜),这也是软包锂电池最关键以及技术难度最高的材料,这就是为什么国内电池厂商一直没有大幅度使用软包电池的原因之一。
软包电池采用热封装的原因是其使用了铝塑包装膜材料,通常分为三层,即外阻层(一般为尼龙 BOPA 或 PET 构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。


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铝塑复合膜外观及内部结构示意图



三种电池结构的派系之争
经过或卷绕或叠加这两种不同的结构工艺完成内部组织的生产之后,电池走了三条不同道路:圆柱、方形和软包。虽然本质上三种路线的电化学原理都一样,材料组成也基本相同,但就是这不同的封装形式和形状特征,决定了三类电池生产厂商迥然的道路。
目前国内市场,方形铝壳占绝对优势,主要原因为 CATL 和比亚迪等龙头企业的头部效应;国内的圆柱和软包电池企业技术发展相对滞后。
硬壳持续降本,正在实现国产替代

目前,主流的电池封装技术主要有方形电池、圆形电池以及软包电池三类。动力电池的安全性和使用寿命都受其封装工艺的影响,不同的封装技术都具有不同的技术壁垒。封装工艺设计除需满足耐撞击振动和挤压穿刺的物理冲击外,也需满足防火阻燃等化学性能要求。


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在软包封装需求特殊、圆柱电池发展滞后的背景下,方形电池仍将继续主导市场。对汽车企业而言,电池的安全要求是一个复合因素,受多方面影响。这些因素包括电池性能的差异、车辆使用环境、安全标准、法规以及车企技术能力等。每家厂商在方形电池规格和防爆需求方面都有所不同,具体数值会根据电池类型和设计要求有所调整,导致防爆片的种类选择也各异。随着技术的不断进步和安全意识的提高,对电池安全的重视将成为汽车制造业发展的重要方向 。因此,在选择合适的防爆片解决方案时,需要根据实际情况和需求做出理性的判断,以确保电池系统的安全性和可靠性。



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(禾聚精密电池防爆片类型图)



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