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科普:浅谈圆柱型电芯类型

  作为新能源汽车的“大心脏”,动力电池近年发展迅速,无论是产业规模,还是产品类别都有长足发展。众所周知,搭载在产品上的动力电池往往并不是单一电池,是由若干电芯模组化装配组成的,这些电芯基于不同的应用场景,于是出现了不同的电芯类型。

  电芯是指电池中的核心组件,通常是一个能够存储和释放电能的化学能量储存装置。电芯的外观通常可拿来区分不一样的电池。基于电芯外观类型进行分类,可将其分为圆柱电芯、软包电芯、以及方形电芯。

  圆柱型电芯发展悠久,自有干电池推出以来,电池基本都是以圆柱型外观为主。然而,随着新能源产业和储能产业的发展,电池类型逐渐丰富起来。而作为经典外观类型的“圆柱型电芯”也有了一定进化。在动力电池逐渐衍生出18650、21700、26650等类型。

  圆柱型电芯制作流程与工艺成熟,外形也比较严整,所以为了区分其规格和成分。有一套成熟的命名方式。其命名规则通常基于其尺寸、形状、化学成分和其他特性。以下是一些常见的圆柱形电芯命名规则的要点:

  尺寸标识: 电池的尺寸通常由其直径和长度表示。例如,18650电池的直径为18毫米,长度为65毫米,0指的是圆柱型。

  化学成分标识: 电池的化学成分也可能被包含在其名称中。例如,锂离子电池通常被标识为Li-ion。

  电池类型标识: 电池类型也可能在名称中得到反映,例如,锂聚合物电池(Li-Polymer)。

  制造商标识: 制造商的信息通常也包含在电池的型号中,以便区分不同厂家的产品。

  容量标识: 电池的容量通常以毫安时(mAh)或安时(Ah)为单位表示,表示电池能够在一定电流下供应电能的时间。

  举例来说,一个典型的18650电池可能有如下命名:18650Li-ion 2500mAh,这表示这是一种直径为18毫米、长度为65毫米的锂离子电池,容量为2500毫安时。

  这只是一种通用的命名规则示例,实际上可能会有一些变化。在购买电池时,建议查看电池的规格表和制造商提供的信息,以确保选择的电池符合特定应用的要求。

  1、普通用圆柱形锂离子电池由外壳、盖帽、正极、负极、隔膜及电解液组成。一般电池外壳为电池的负极,盖帽为电池的正极,电池外壳采用镀镍钢板。

  2、动力型圆柱形电池重要差别在于电池的导电连接结构,因为动力锂电池一般应用电流比较大,要专门的大电流结构设计。

  圆柱电芯一般外披钢壳或铝壳,结构稳定、单位体积内的包含的能量高。圆柱锂电池电芯通常用于动力电池上,比如典型的特斯拉Model 3搭载的21700电芯,一度让21700风靡电芯市场。

  然而,圆柱型电芯也并非都是优点,它的缺点同样也显而易见。比如饱受诟病的空间利用率问题,圆柱外形在模组化的情况下,会造成较大的空间浪费,这点远逊于更利于堆叠的软包和方形电芯。

  以下,大致归纳了有关圆柱电芯的一些优势和劣势,方便大家更直观的了解其特点。

  圆柱形电芯通常具有相比来说较高的单位体积内的包含的能量,这在某种程度上预示着它们可提供相对较大的电能存储在相对小的体积内。一般单节圆柱式锂电池的额定单位体积内的包含的能量在300~500Wh/kg之间,其比功率可达100W以上。根据不相同的型号规格的产品,该类产品的实际性能有所差异。

  由于其圆柱形状,电芯表面积相对较大,这有助于散热。这对于电池在高负载或高温条件下的性能稳定性至关重要。当然散热性能相比软包电池还是有所差距,软包电池的比热面积更大,但是,软包电池外壳相对柔软,容易因此破发生漏液。

  首先,圆柱形电芯的设计通常可提供较长的循环寿命,尤其是在可充电电池中;其次,圆柱型电芯生产的基本工艺成熟、PACK成本较低、电池产品良率较高、散热性能好,也提高了使用寿命。

  首先,圆柱形电池一般为密封蓄电池,使用的过程中不存在维护问题;然后,电池外壳一般耐压高,使用的过程中不可能会出现如方形、软包装电池膨胀等现象。

  圆柱形电芯的形状有几率会使在设备内部空间利用效率较低,特别是在一些紧凑型设备中。相对于方形电芯,圆柱形电芯在堆叠时可能会留下较多的空隙,导致空间浪费。

  相较于一些其他形状的电芯,圆柱形电芯在相同容量下的重量可能较大,这对于一些轻量化要求比较高的应用可能不太适合。尤其在动力电池上,会增加车辆的自重,影响续航里程。

  相对于软包电芯等柔性电芯,圆柱形电芯在形状上相对刚性,因此在某些特殊设计需求下可能不太灵活。这种较差的可塑性使得装配方式极为固定,欠缺灵活性。

  圆柱型电芯类型丰富,根据各自的性能特点在不相同的领域都有特殊应用。小编整理了14500、16340、18650、21700、26650、46800等六款电芯。

  为方便大家直观了解这些电芯的区别,我们汇总了6种电信的主要信息,制成表格,你们可以自行对比,以下为电芯详情:

  14500电池是一种直径为14毫米、高度为50毫米的锂电池。这种电池一般为3.7V或3.2V,标称容量比较小,比10440电池大一点,一般为1600mah,放电性能优越,应用领域主要是消费电子,如无线音频、电动玩具、数码相机等。

  16340电池是一种直径为16毫米、高度为34毫米的锂电池。也被称为 CR123A 或 RCR123A 电池。其标称电压通常为3.7伏特,这是锂离子电池的典型工作电压。

  容量可以因制造商和型号而异,但一般在600毫安时(mAh)到1200mAh之间。这决定了电池能够在一次充电中提供的电能。16340 电池常用于一些特殊的电子设备,例如高亮手电筒、激光指示器、照相机闪光灯等,因为它们相对小巧但能提供较高的电能密度。

  18650电池是一种直径为18毫米、高度为65毫米的锂电池。18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节约成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号。

  它最大的特点是单位体积内的包含的能量非常高,几乎达到170瓦时/公斤。因此,这种电池是一种性价比很高的电池。我们大家常常看到的大多数电池都是这种电池,因为它是一种相对成熟的锂电池,在每个方面都拥有非常良好的系统质量稳定性。

  18650电池使用寿命理论为循环充电1000次,由于单位密度容量很大,所以大部分用于笔记本电脑电池。除此之外,因18650在工作中的稳定性能非常好,大范围的应用于各大电子领域:常用于高档强光手电、随身电源,无线数据传输器,电热保暖衣、鞋,便携式仪器仪表,便携式照明设备,便携式打印机,工业仪器,医疗仪器等

  21700电池是一种直径为21毫米、高度为70毫米的锂电池。由于其体积增大,空间利用率增大,可提高电池单体和系统的单位体积内的包含的能量,其体积单位体积内的包含的能量远高于18650电池,大范围的应用于数码、电动汽车、平衡车、太阳能锂电池路灯、LED灯、电动工具等。

  21700电池最早是由松下为美国特斯拉公司开发的。在2017年1月4日的投资者见面会上,特斯拉宣布与松下联合研发的新型21700电池开始量产,这款电池将在Gigafactory超级电池工厂生产。特斯拉CEO马斯克表示,21700型电池的电量密度是目前世界上单位体积内的包含的能量最高且成本最低的电池,售价也将更平易近人。

  以Model 3的21700型电池系统为例,单位体积内的包含的能量在300Wh/kg左右,比原来Model S使用的18650电池单位体积内的包含的能量提升20%以上,单体容量提升35%,系统成本降低9%左右。从一开始,21700巨大的优势便引发业界广泛关注和研究。

  26650电池是一种直径为26mm、高度为65mm的锂电池,标称电压为3.2V。标称容量为3200mah,这种电池具有优良的容量和高度的一致性,已慢慢的变成为18650电池的替代趋势,许多产品在动力电池方面也会逐渐受到青睐。

  一般用于用于电动工具、照明、风光储能、电动车、玩具、仪器仪表、ups后备电源、通讯设备、医疗设施及军工灯领域。常见的有用镍钴锰正极材料、磷酸铁锂材料做成的锂电池——INR26650-3.6V-4500mAh、IFR26650-3.2V-3200mAh。

  一般也称为4680电池,即直径 46 mm、高 80 mm 的圆柱电池,目前特斯拉使用的 18650 和 2170 电池也符合这一命名规则,其中 18650 电池最后一个「0」的含义是圆柱,只不过 2170、4680电池省略了。

  直径「46 mm」这个指标,从安全性来看,虽然整车电池节数减少能够更好的降低 BMS 的管理难度,但是大电芯的散热是个难题,46 mm 是个平衡范围内的点。从提升续航和降本的角度来看,特斯拉认为 46 mm 以后整车的续航开始下降,同时降本的边际效益变得很低,因此 46 mm 是最优解。另外从内部应力和角度来看,46 mm 也是一个比较临界的点,在化学性能、生产的基本工艺没有本质上的突破前,46 mm 是一个黄金尺寸。

  圆柱型电芯作为目前三种电芯类型中最规范,历史最久的电芯类型。目前正处于快速地发展的势头,几乎每过一段时间就会有新的型号迭代,并成为主流。

  开始奠定圆柱电芯在动力电池上地位的是18650电芯。而随后,为了寻求单体容量的增加,特斯拉联合松下研发出了容量更高、性能更佳的21700电芯。如今,为了适应不一样应用产品,除了主流的18650、21700、26650。适配数码等小产品的14500,以及追求极致容量的4680的电芯类型也备受欢迎。

  从圆柱电芯发展的趋势而言,更高的单位体积内的包含的能量、更好的安全性能、新材料的探索始终是其发展的三大主流方向。这些趋势的发展推动了圆柱型锂电池在所有的领域的广泛应用,并使得其在一直在变化的市场中保持竞争力。未来,随技术的进一步创新和市场需求的演变,圆柱型锂电池有望继续迎来更多新的发展机遇。

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