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揭秘:特斯拉采用18650電池的原因

鉅大LARGE  |  點擊量:8656次  |  2018年09月20日  

摘要
問題里提到了“層疊式(聚合物)鋰離子電池”,請注意層疊式(Laminated)電池與聚合物(Polymer)電池是兩個不同的概念。所謂聚合物電池是指內部含有聚合物或膠體電解質的電池,而傳統的鋰離子電池的電解質是溶解在液態電解液中的。

問題里提到了“層疊式(聚合物)鋰離子電池”,請注意層疊式(Laminated)電池與聚合物(Polymer)電池是兩個不同的概念。所謂聚合物電池是指內部含有聚合物或膠體電解質的電池,而傳統的鋰離子電池的電解質是溶解在液態電解液中的。所謂層疊式電池是指內部電極片與隔膜是一層一層堆疊起來的,與之相對應的是卷繞式電池的卷繞電芯(18650電池就是卷繞式電池)。一般聚合物電池都采用層疊式結構,因此也可稱為層疊式電池。但是,由于層疊式電池也可以采用液態電解液,因此層疊式鋰離子電池也可能不是聚合物鋰離子電池。

實際上,大部分電動汽車用的層疊式動力電池(NissanLEAF,GMVolt等)都是液態電解液。之所以會產生這種混淆,大概是因為層疊式電池與聚合物電池一般都是用鋁塑膜封裝的,我們也稱之為“袋裝”(Pouch)電池。不過,袋裝電池內部也有可能是卷繞式電芯。

聚合物電池現在似乎還沒有應用在電動汽車上,筆者猜測主要原因可能是膠體電解質的導電性不太好,因此內阻較大。

特斯拉為什么采用18650電池?

在此展開論述。

a.一致性

18650電池是最早、最成熟、最穩定的鋰離子電池,廣泛應用在電子產品中,每年的出貨量大約有幾十億節。多年來,日本廠商在18650電池的生產工藝上積累了大量的經驗,使得產出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。

在與美國一位電池界教授交流的過程中,他半戲謔地說過一番話:如果你從日本某廠商直接購買了同一批次的電池,然后用你的電池充放電測試儀器去同時測試它們,如果發現不同通道測出的放電曲線不一樣,你應該懷疑你的設備而不是電池的一致性。

相比之下,層疊式鋰離子電池遠遠沒有成熟,甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統一,電池廠商所具備的經驗也很不足,電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求,大量電池串、并聯形成的電池組的管理將是一場夢魘。

總結來說,18650電池的單體容量?。ㄒ话悴粫^3Ah),所需的單體數量會很多(Roadster有6831節),但是一致性很好;層疊式電池的容量可以做得較大(30Ah甚至40Ah),單體數量可以降低,但是一致性差。

特斯拉不是一家電池廠商,它在電池生產技術方面不會有太多的積累,現階段也很難投入大量的人力物力與電池供應商一起去改善層疊式電池的生產工藝。因此,在研發Roadster和ModelS的時候,特斯拉的唯一選擇是從市場上去購買電池,自行開發電池系統。開發一套管理6000多節單體一致性很好的電池系統與開發一套200多節一致性很差的電池系統,相比之下,前者的技術難度應該更低一些。即使單體電池數目增多,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,日產的LEAF,它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產與NEC合作多年,在電池技術方面積累很深厚,在品質控制方面應該有相當的功力。LEAF的電池來自AESC,日產與NEC的合資公司。

對比下美、日、中等不同地區的汽車廠商在開發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。

b.成本

特斯拉采用18650電池,就可以利用日本松下等廠商之前的生產線進行生產。在消費類電子產品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下,筆者想松下等廠商是非常樂意與特斯拉合作升級產品,將原有的生產線改良后用于生產動力電池。

另外,工業生產有一個規模效應,當生產產品的規模達到一個量級之后,成本會大大降低。一輛特斯拉就需要上千節18650電池,因此單體的采購價格應該可以壓得比較低。

c.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,因此日產的LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(其實就是不管理?。?,由空氣的自然對流將熱量帶走。

反過來看特斯拉,18650電池的個頭比較小,在正常充放電時單體電池內部的溫差也不會太大。但是,6000多個單體電池的溫度也應當保持在不超過5°C的范圍內,這是一件非常困難的事情。但是,特斯拉做到了。怎么做到的?

這些管道是冷卻液的流道,流道交叉布置的樣子很像發動機的排氣歧管,這是為了使得各路管道的流動阻力大致平衡。

總結來說,由于采用了小容量的18650電池,特斯拉的熱管理系統的復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電池不是最優選。

d.能量密度

談到能量密度,就必須區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電池是要高于層疊式鋰離子電池。筆者這里查到的日產LEAF所用的33Ah鋰離子電池的能量密度是157Wh/kg,GMVolt所用的層疊式電池的能量密度約為150Wh/kg;而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211Wh/kg。(注:Roadster和Volt都沒有查到原裝電池數據,筆者是根據相同電池廠商生產的相同容量的電池的數據計算得到的)

但是,18650電池的管理系統更加復雜,由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450kg,能量密度是118Wh/kg,而LEAF電池組的重量是225kg,能量密度是107Wh/kg。在電池組層次,兩者的能量密度已經不相上下。

ModelS的設計應當比Roadster優秀得多,但是這方面的資料筆者還沒有收集到太多,現在還沒有辦法做分析。

e.安全性

前面提到層疊式鋰離子電池的各種優點,但它也有一些缺點。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的,而鋁塑膜的厚度薄,機械強度差,在汽車發生碰撞等極端情況下,鋁塑膜很容易發生破損導致安全事故產生。這也就解釋了為什么日產要在4個單體組成的電池模塊外面再加一個鋁殼。

18650電池一般是鋼殼,安全性更好;而且前面也提到隨著18650電池生產工藝水平的的不斷提高,安全性也在不斷提高。

特斯拉在應對這些18650電池可能出現的安全事故上,也傾注了很多心血。如果一個單體電池出現溫度過高等異常情況,根據異常情況的惡劣程度,這枚電池或其所在的模組會斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小,只要不發生蔓延,事故的嚴重程度將是較低的。

筆者認為,特斯拉當時采用18650電池,的確是最優選擇。但是,隨著特斯拉在電池領域的經驗不斷積累,他們應該會嘗試其他構型的電池。

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