中国以综合性更强的方形电池为主导、软包和圆柱为辅,电芯总产能冠绝全球;美国车企则以圆柱和软包为主,圆柱主要感谢特斯拉在美国有超过70%的市占率,而底特律汽车三大则坚持能量密度更高的软包;欧洲以软包电芯为主导、方形次之,其中纯电车型坚持长续航的软包,德系车企对更符合车规级的方形则青睐有加。

细究软包快速发展的背后原因,一是传统燃油车企与当时发展初期毫无包袱的特斯拉不同,早期大多是采取兼容的车型开发平台来做纯电或混动车型的思路,以图缩小成本、缩短开发周期,因此对于电池包对原有底盘的适配灵活性要求极高,同时也缺乏BMS软件开发能力,成组难、管理技术复杂的圆柱电池天然不适配他们诉求,而软包电池的厚度、形状等可以根据客户需求进行定制,就此脱颖而出;二是以底特律三大——通用、福特、克莱斯勒为代表的美国燃油车企最看重电动车的续航里程,电动车发展思路上早期更偏向于与主力燃油产品错位的高端市场,因此从一开始就选择了能量密度最高的软包电池;而欧洲也类似,发展到2020年其面向市场销量前20的车型中出现了高达15款选择搭载了软包电池。

2020年欧洲最畅销新能源乘用车 Tp20

马斯克口嫌体直

死磕圆柱电池做“大”对抗软包

但软包电池同样存在着难以忽略的劣势,便是复杂叠片工艺带来的低生产效率、高成本和低良率(LGC欧洲工厂一度低于90%),低一致性使得高能量密度的大单体电池在不同温度下热耗率不同、进而有在内部形成"热点"引发压力和温度的热失控,而轻量化铝塑膜无法阻止热扩散,产生燃爆风险。

随着软包电池逐步成为欧美传统车企宣传中引以为豪的更终极电池技术,马斯克抓住安全性这点在推特上多次发起“朴素的商战”对软包进行抨击,宣称大容量的单体软包电芯加剧了热失控问题。而LG化学同年发生的巨额召回赔偿事件也印证了这一风险的存在,2021年3月LG化学召回了发生了15起着火事故的现代Kona车型7.6万辆、LG赔偿56亿元人民币,8月又召回了出现过10起着火事故的雪佛兰Bolt车型14万辆、LG赔偿19亿美金。受此影响,近年来软包电池在全球份额也发生了停滞。

马斯克在推特“商战”以热失控问题为由坚决抨击应用大软包单体电芯

马斯克在推特“商战”以热失控问题为由坚决抨击应用大软包单体电芯

马斯克在推特“商战”以热失控问题为由坚决抨击应用大软包单体电芯

尽管马斯克口头上在奋力抨击软包电池做大容量牺牲安全性的弊端,但身体上是诚实的、积极拥抱了提升单体电芯容量的趋势。随着18650圆柱电池单体2.2-3.6Ah容量在能量密度上处于落后阶段,于是2017年特斯拉推出的更为平价版的model 3上装载了松下率先研发的21700圆柱电芯,初代容量便提升到了4.8Ah、并往5.3Ah发展,并且倚仗圆柱更强的钢壳束缚力、负极石墨掺杂了高比容量、高膨胀率的硅氧材料,相比18650电池松下21700提高了约20%能量密度,并且电池包所需电芯数量减少至4416颗,大幅减少了pack成组难度和所需附件数量、成本也随之下降9%。

随着model 3在2021年出货量历史性地突破50万辆,而前一年推出的平价SUV车型model Y也于2021年销量急速突破40万辆,2021年四季度公司EBITDA margin达到20%,优秀的财务模型带来更高的研发投入空间,马斯克也在持续引领特斯拉不停地推进圆柱电池技术往“更大”方向的发展,2021年同年特斯拉更进一步推出自研自产的4680电池技术来追赶软包电池。4680单体容量达到30Ah,电池包所需电芯数量进一步减少至960个,同时4680努力把圆柱适配的材料体系挖掘到极致、大胆运用了9系高镍正极和更高含量的硅氧负极,单体能量密度可达300Wh/kg、较2170进一步提升10%,成本预计能下降14%。随着4680在全极耳成型、汇流盘焊接等工艺环节良率的提升,预计4680大圆柱将于2024年完成皮卡车型Cybertruck的装车交付,预测电池包容量可达232kWh,目前这款皮卡最新预定量已经突破了恐怖的200万辆。

预计将于2024年量产交付的装载4680大圆柱的Cybertruck

预计将于2024年量产交付的装载4680大圆柱的Cybertruck

“宁王”携方形电池强势崛起

但特斯拉势如破竹的背后,曾经深度绑定的松下却因产能规划保守而丢失了全球独家供应商的地位,2020年特斯拉为了保障上海超级工厂电池供应正式引入新供应商LG化学和宁德时代,由LGC开发8系高镍三元的21700圆柱电池供应长续航版model 3(仍然对LGC拳头产品软包抱有敌意),并由宁德时代开发方形磷酸铁锂电池供应标准版model 3。特斯拉终于在坚持圆柱十几年后首次拥抱了方形电芯,背后不能忽视的便是中国方形电池技术路线的强势崛起。

铝壳方形电池最早由三洋电机于1995年发明,由于铝壳重量较钢壳更轻,且形状规整、电池包空间利用率高,逐步在手机、笔记本电脑等3C领域采用来替代圆柱,但后因智能手机对于轻薄化的极致需求又被ATL等软包公司逐步取代。三洋被松下收购后,方形电池技术除了小规模供应丰田、大众、福特的混动车型后便被松下束之高阁,专注绑定特斯拉圆柱路线。

装载三星SDI 22kWh方形电池的宝马i3车型

装载三星SDI 22kWh方形电池的宝马i3车型

真正推动方形电池在对动力电池大规模应用的来自三星SDI。SDI从1999年起就在方形电池领域深耕,敏锐地洞察到动力电池领域在长期角度轻薄化与高能量要让位于标准化和成本,而这正好与严谨老成、追求车规化到极致的德系车企不谋而合。于是三星SDI在2008年抓住了宝马在全球考察动力电池方案的机遇,与宝马核心tier 1博世合资成立电池公司SB Limotive,共同在2009年推出了搭载三星SDI方形电池的纯电车型宝马Megacity,而这正是日后宝马主力电动车型i3的原型,宝马集团研发主管傅乐希也明确表示过“方形电池结构紧凑而且不容易受外力损坏是选择方形电池的主要原因”。

随后的宝马i8插混跑车、iX系列插混SUV、Active插混MPV均选择了设计与软包同样灵活且标准化更高的三星SDI方形电芯。借着宝马SDI自此进入了德国动力电池产业链,后又与德系的大众、奥迪、保时捷等达成了定点车型合作。

但此时方形电池仍然在世界范围不是主流方案,直至2015年三星SDI也仅凭着宝马i3出货了0.5GWh,改善单体能量而做大电芯同样带来了一致性的工程难题,A123和三菱LEJ等方形电池厂商甚至出现了大规模召回危机;而将方形电池带上巅峰的正是以宁德时代为代表的中国电池厂,而引路人仍是宝马。

2011年宝马在中国的合资企业华晨宝马正在考虑为纯电SUV车型“之诺1E”和宝马5系插混车型寻找本土动力电池供应商,在与国内一家电池厂合作告吹后找到了彼时刚刚从ATL独立出来的宁德时代,而宁德时代接过了这一挑战性极高的任务,拿到了宝马标注着各种需求与参数的800页电池技术文档,与宝马驻厂2年多的工程师吃透了方形电池技术,最终于2013年成为了宝马国内电池供应商。

宁德时代有了宝马背书后,国内众多国产“油改电”车企也看中了方形电池的易用性,并且方形硬壳成组效率天然优于圆柱和软包、随着其在善于工程化的中国电芯厂手里大幅提升良率后,单体电池容量从SDI的仅60-94AH提升到国内200-280AH,方形电池系统能量密度劣势在慢慢追上。于是宁德时代手里上汽、广汽、北汽、吉利、长安、东风等众多国产车企订单接踵而至,化身“宁王”在2017年起夺下了松下霸占多年的全球动力电池龙头位置。

自此,走大容量电芯的方壳路线在国内开启了“狂飙”。

中国特色的动力电池发展路线

中国的锂电发展充分展现了“弯道超车”的特色。

国内新能源市场在早期的发展不同于国外由特斯拉原创性的造车新势力引导,中国新能源汽车的崛起源自最初的公交大巴,它们的高电耗(每次行驶需要消耗200至300度电)推动了这一领域的飞速发展。早期来看,中国企业并非未尝试过圆柱电池,看到特斯拉应用18650成功后,中国企业也迅速跟进,2012年,力神率先将18650电池用于江淮iEV2,数量虽然仅100辆,但却展现当时力神的决心。2014年,康迪开始采用该系列产品,随后2015年,江淮iEV5型号开始了正式的大规模应用。

江淮iEV系列采用同悦平台,依托燃油车的车身,进行电气化的重新布置,采用18650电池

江淮iEV系列采用同悦平台,依托燃油车的车身,进行电气化的重新布置,采用18650电池

同一期间,比克也在尝试将18650电池用于汽车领域,2010年,比克与东风合作,为台湾花博会提供配套。同年,与北汽福田合作,发布了北京新能源出租车。2014年,比克实现了2.4Ah圆柱18650电池的量产。这期间,随着中国新能源汽车的崛起,2014年海外电芯厂三星SDI在西安建厂,也选择了18650电池。次年,开始向江淮供应电池。特斯拉采用21700电池后,中国企业迅速开始引入这一型号。2017年,力神率先量产21700电池,用于一款纯电动物流车,但不同于特斯拉完全基于自己电动化平台,中国主机厂依然基于其油车平台,力神在向国内主机厂推销21700电池的路径上并不顺利。同期,国轩高科等企业开发了32131、32135尺寸的15Ah磷酸铁锂圆柱电池,目前,这些32mm直径产品依然运用于北汽、江淮、奇瑞等部分小型汽车。但某一个电池尺寸是否能成为行业的标杆及标准,归根结底取决于其配套车型是否能受到消费者青睐,最后,32mm直径的圆柱电池因终端销售不及预期,因此并没有形成大规模的商业应用。

早在2018年,国轩高科就开始计划建设3GWh的32规格的大圆柱电池

早在2018年,国轩高科就开始计划建设3GWh的32规格的大圆柱电池

归根结底,圆柱电池的单体数量庞大,使得BMS系统变得复杂困难,当时的中国主机厂不敢轻易使用,再加上软包电池则因其品控一直未能得到很好的解决,无法大规模商业化应用。方形电池因其规整的外形、高单体容量和有效的空间利用率慢慢的成为了中国主机厂青睐的主流方向。并且,值得注意的是当时补贴政策主要围绕电池的能量密度,对电池能量密度的具体要求为:纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于90Wh/kg,对高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴。非快充类纯电动客车电池系统能量密度要高于85Wh/kg。专用车装载动力电池系统质量能量密度不低于90Wh/kg,当年的电池企业想通过正常的化学材料体系发展,是异常艰难的,结构的优化更具备性价比,方形电池因为体积更容易做的更大,容易实现更高的能量密度, 因此随着国家补贴对于能量密度要求的不断提升,促使了中国动力电池公司钻研方形电池生产独特的特色,头部电池厂均走上了电芯尺寸结构优化的道路上,当然这也造成了当时三元与磷酸铁锂电池的市场格局彻底转换,三元电池市场在2017年占比远远超过了磷酸铁锂电池。

[责任编辑:张倩]

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