导读:自从1994年松下公司首次推出18650型号锂离子电池以来,该型号锂离子电池已经取得了巨大的成功,特斯拉早期推出的Model S、X和3系电动汽车采用的就是由日本松下公司提供的18650电池。近年来为了提高电池包的能量密度,减少电池包内电池的数量,松下公司又推出了容量更大的21700型号锂离子电池,并应用在最新的Model 3车型上。

近日,德国Zentrumfu ̈rSonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg研究所的Jason B. Quinn(第一作者,通讯作者)和Karsten Richter(通讯作者)详细对比了18650电池和21700电池在能量、容量、能量密度、内阻和热特性、成本上的差异(参与对比的电池信息如下表所示)。

下图为电池能量密度与负极的涂布厚度之间的关系,从图中我们能够注意到电池的能量密度与负极的涂布厚度之间存在明显的线性相关,负极的涂布量越高则电池的能量密度越高。同时我们还注意到在相同的负极厚度下,几种不同结构的电池能量密度是比较接近的,电池的结构对于能量密度的影响比较小。

下图为18650、20700和21700三种电池的内阻与电池能量之间的关系,从图中我们能够注意到电池的内阻明显分为了两大阵营,18650电池阵营,20700和21700阵营,18650电池的内阻要明显高于21700和20700电池。在相同类型的电池中,电池的内阻随着电池能量的增加而逐渐增加,这主要是因为更高的能量意味着更厚的电极,从而导致电子和离子的扩散难度增加,同时随着电极厚度的增加,电池内能够卷入的电极长度也会缩短,导致电极面积的降低,这都会显著的增加电池的内阻。

下图为软包电池、18650、20700和21700电池的内阻与电极面积之间的关系,从图中能够看到几种电池的内阻与电极面积之间的关系曲线都是相同的,也就是电极面积越大电池的内阻越小,因此21700电池内阻较低主要是因为其电极面积比较大。

下图为功率型和能量型的18650、21700电池的倍率性能曲线,功率型和能量型21700电池的电极厚度分别为65um和91um,功率型和能量型的18650电池电极厚度分别为34um和101um。从下图能够看到由于能量型电池的电极厚度较厚,因此在大倍率下性能急剧衰降。而电极厚度较薄的功率型锂离子电池在较大的倍率下性能表现则要好的多,放电能量衰降不大,仅仅是电池的极化出现了一定成的增加。

下图为功率型和能量型的18650、21700电池在不同放电倍率下的温升,从图中能够看到能量型的电池由于放电过程中损失在极化、欧姆阻抗上的能量比较多,因此电池的温度升高也要明显大于功率型的电池。21700电池由于电芯体积比较大,电池比散热面积较小,因此温升比较大,18650电池由于电池本身体积比较小,比散热面积较大,因此在放电的过程中温升要明显少于21700电池。

下图为不同类型的电池在不同放电倍率下的最大温升,从图中能够看到随着电池尺寸的增大(18650到21700)和电池能量的提升,不同倍率下的最大温升曲线的斜率也出现了明显的增加,表明大尺寸和高容量的电池在放电过程中的产热也更大。

接下来就是两种电池的成本分析了,我们首先从单体电池层面来看一下电池的成本:

1)两种电池的电极生产都是相同的,因此在电极生产、电芯卷绕这一部分都是相同;

2)电池壳体,由于21700电池的直径更大,能够容纳更多的电芯,因此每Wh所需要的外壳,21700电池要比18650电池少33%,因此21700电池的外壳成本低于18650。

3)由于同样的Wh数的电池数量减少33%,因此对注液、封口过程的需求也有所减少,成本有所降低。

4)同样由于电池总体数量的降低,对于化成设备的需求也大大减少,提升了效率,降低了成本。

在Pack层面21700同样具有优势:

1)首先是采用21700电池替代18650电池后,在电池包电量相同的情况下,电池包内的单体电池数量将会大幅减少,降低了电池包结构的复杂程度和pack难度。

2)更少的电池数量也降低了BMS的监控难度。

3)21700电池替换18650电池后并不会降低电池模块内的孔隙率,因此电池包的体积和冷却结构的数量是相同。

通过对比18650、20700和21700电池,我们发现

1)每个21700单体电池包含的能量比18650高50%左右,因此在使用中单体电池的数量可以大幅的降低;

2)由于21700电池的能量更多,因此生产同样Wh的电池需要的零部件和设备的数量减少,有利于降低生产成本;

3)21700电池并不会显著的提高电池的能量密度,锂离子电池的能量密度主要还是与电极的涂布量有关。

参考文献:Energy Density of Cylindrical Li-Ion Cells: A Comparison of Commercial 18650 to the 21700 Cells