1.2.5 锂电池的外形分类

按外形分类锂电池有方形、圆柱形和薄片形三种类型。方形锂电池种类较多，主要应用于手机、数码相机等领域；圆柱形锂电池目前有18650（18mm×65mm）、26650（26mm×65mm）、21700（21mm×70mm）三种型号，主要应用于笔记本计算机和电动工具领域；薄片形锂电池可满足计算机、摄像机薄型化的要求。

1. 方形

一个典型的方形锂电池主要组成部件包括顶盖、壳体、正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕、绝缘件和安全组件等。其中，包括两个安全结构：针刺安全保护装置（Nail Safety Device，NSD）和过充电保护装置（Overcharge Safety Device，OSD）。NSD是在卷芯的最外面加上了金属层，例如铜薄片。当针刺发生时，在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低，这样可以防止针刺位置局部过热，缓减电池热失控发生。OSD安全设计目前在很多电池上都能看到，一般是一个金属薄片配合熔体（Fuse）使用，熔体可以设计到正极集流体上，过充电时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路，产生瞬间大电流，使熔体熔断，从而切断电池内部电流回路。壳体一般为钢壳或者铝壳，随着市场对能量密度追求的驱动以及生产工艺的进步，铝壳逐渐成为主流。

优点：方形锂电池封装可靠度高；系统能量效率高；相对重量轻，能量密度较高；结构较为简单，扩容相对方便，是当前通过提高单体容量来提高能量密度的重要选项；单体容量大，则系统构成相对简单，使得对单体的逐一监控成为可能；系统简单带来的另外一个好处是稳定性相对好。

缺点：由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产，所以市场上有成千上万种型号，而正因为型号太多，工艺很难统一；生产自动化水平不高，单体差异性较大，在大规模应用中，存在系统寿命远低于单体寿命的问题。国家推荐标准GB/T 34013—2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》中针对方形锂电池给出了8个系列的尺寸。

对电芯规格尺寸做出引导，短期也许没有特别明显的效果，甚至有人觉得给出指导意见会束缚行业发展，而且改变产品尺寸对电芯生产来说，不仅仅是工装模具的问题，其影响甚大。但作为一个推荐标准，只要能够给筹备新生产能力和做产线调整的厂家一个倾向，长期来看必然对规格尺寸逐渐向系列化方向发展有推动作用。而电芯和模块的一致性，是真正实现梯次利用的前提。

方形锂电池相对圆柱电芯要更容易把容量做大，在提升容量的过程中受到的限制也比较少。系统内电芯数量少，这应该是方形锂电池重要的竞争力之一。但随着单体体积的增加，也出现了一些问题，比如侧面鼓胀严重、散热困难且不均匀性增大，对其发展形成阻碍。下面介绍方形锂电池的典型问题和应对。

（1）侧面鼓胀问题 锂电池在充放电过程中电池的内部存在一定的压强（经验数据为0.3～0.6MPa），在相同的压强下，受力面积越大，电池壳壁的变形越严重。在液态锂电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。形成的层钝化膜能有效地阻止溶剂分子的通过，但锂离子却可以经过该钝化层自由地嵌入和脱嵌，具有固体电解质的特征，因此这层钝化膜被称为固体电解质界面（Solid Electrolyte Interface，SEI）膜。引起电池膨胀的重要原因有：①化成时，形成SEI膜的过程中产生气体，电池内气压升高，由于方形锂电池平面结构耐压能力差，因此造成壳体变形；②充电时电极材料晶格参数发生变化，造成电极膨胀，电极膨胀力作用于壳体，造成电池壳体变形；③高温贮存时，少量电液分解及由于温度效应气体压力增大，造成电池壳体变形。在以上三个原因中，电极膨胀而引起的壳体膨胀是最主要原因。

方形锂电池的鼓胀问题是一个通病，特别是大容量方形锂电池更为严重，电池鼓胀会造成电池的内阻增加、局部的电解液枯竭甚至壳体破裂，严重地影响了电池的安全性能及循环寿命。解决方法：①采用小结构形式，加强壳体强度；②优化排列方式。通过上述两种方法，可以有效解决方形锂电池鼓胀问题。加强壳体强度是把原来的平面壳体设计成加强结构，并以向壳体内部打压的方式，测试壳体加强结构设计的效果，按照固定方式的不同（固定长度方向和固定宽度方向）分别测试，可以明显观察到加强结构的作用。以宽度固定情形为例，在0.3MPa压强下，有加强结构的壳体形变量为3.2mm，而没有加强结构的壳体形变量达到4.1mm，形变量降低了20%以上。模组中电芯的排列方式不同，其厚度方向形变量也不同，优化排列方式的解决方法就是对比选择形变量尽量小的排列方式。

（2）大型方形锂电池散热性能变差 随着单体体积的增大，电池内部发热部分到壳体的距离越来越远，传导的介质、界面越来越多，使得散热变得困难，并且在单体上热量分布不均的问题越来越明显。清华大学物理系吴伟雄等人进行了一项研究，实验采用3.2V/12A·h的方形锂电池，电池充放电设备为新威CT-3001W-50V120-ANTF，测试过程中环境温度为31℃，散热方式为空气冷却，用温度巡检仪记录电池的温度变化。实验步骤如下：

1）恒流充电，用12A的电流给电池充电，至充电截止电压3.65V。

2）搁置，充电后搁置1h以使电池稳定。

3）恒流放电，以不同的倍率放电至放电截止电压2V。其中，放电倍率分别按1C、2C、3C、4C、5C和6C设定。

不同放电倍率下，电池表面的温度会发生变化。随着倍率增加，温度也越来越高，各放电倍率对应的电池表面最高温度分别为38.1℃、48.3℃、56.7℃、64.4℃、72.2℃、76.9℃。3C倍率放电时，最高温度已超过50℃，6C时温度达到了76.9℃且超过50℃的时间为470s，占到了整个放电过程的三分之二，这对于电池安全持续工作非常不利。而相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，因此采用相变材料作为导热介质，附着在单体电芯表面，散热效果能得到大幅度改善。另外，也有方案将导热材料与水冷相结合，让水冷系统把导热材料吸收过来的热量传递到系统外部去。锂电池系统对于防止热失控问题，最理想的就是能够直接检测到每一颗电芯的参数（最基本的温度、电压和电流等），这样的话，即使没有新型物美价廉且功能好的新型传感器出现，对热失控的预警和处置也都会成为可能。

2. 圆柱形

与软包和方形锂电池相比，圆柱形锂电池（18650）是商业化最早、生产自动化程度最高、当前成本最低的一种动力电池，又有特斯拉（Tesla）多年支持，基本保持着与软包和方形锂电池三分天下的局面。从特斯拉宣布Model3采用21700型号的圆柱形锂电池以后，圆柱形锂电池家族多了一个明星成员。下面简述圆柱形锂电池相关的几个技术点，且文中不特殊声明的，圆柱形锂电池就特指18650。

圆柱形锂电池是被研究得最多、技术讨论最充分的电池品种。单体主要由正极、负极、隔膜、正负极集电极、安全阀、过电流保护装置、绝缘件和壳体共同组成。壳体早期使用钢壳较多，目前以铝壳为主。单体过电流保护装置，每个厂家的设计并不相同，根据对安全性要求的不同，价格完全不同，可以进行定制。一般的安全装置主要有PTC元件和熔断装置两大类。PTC元件中出现过电流、电阻发热和温度积累时，会促进PTC元件阻值的上升，当温度超过一个阈值以后，PTC元件阻值陡然增大，相当于把故障电芯从总体回路中隔离开来，避免进一步热失控的发生。熔断装置原理上就是一个熔丝，遇到过大电流时熔丝熔断，回路被断开。两种保护装置的区别在于前者可恢复，后者的保护是一次性的，一旦故障发生，系统必须更换问题电芯后才能正常工作。

圆柱形电芯尤其是18650，由于其自身结构特点，也由于其型号的标准化以及圆柱形电芯生产的自动化水平，使其成为3种电芯形式中最主要的形式。这就使得高度一致性成为可能，成品率相应得到提高。有数据显示，三星、松下等国外主要厂家良品率可以达到98%，而国内厂商也可以超过90%。

优点：

1）单体一致性较好。

2）单体自身力学性能好，与方形和软包锂电池相比，封闭的圆柱体在近似尺寸下，可以获得最高的弯曲强度。

3）技术成熟、成本低，但同时成本优化的空间也已经消耗殆尽。

4）单体能量小，发生事故时易于控制。

缺点：

1）在电动汽车中，电池系统的圆柱形单体数量都很大，这就使得电池系统复杂度大增，无论结构还是管理系统，相对于另外两类电池，系统级别的圆柱形锂电池成本偏高。

2）在温度环境不均匀的条件下，大量电芯特性异化的概率上升。当然，特斯拉之所以在设计之初选择18650，相信只是个无奈之选，因为10多年前，能够大批量生产的合格动力电池只有圆柱形电池。而电池的安全和热管理需求，反而是它强大电控系统的研发动力。

3）能量密度的上升空间已经很小。2016年，超威把单体容量做到4050mA·h，电芯能量密度为306W·h/kg，此后便没有更高的记录。

特斯拉的Model3电池系统带火了21700。特斯拉Model3全面启用21700三元锂电池，开启了圆柱形锂电池提升容量的新阶段。特斯拉Model3的21700型电池系统，能量密度在300W·h/kg左右，比原来ModelS使用的18650电池的能量密度提升20%以上，单体容量提升35%，系统成本降低9%左右。目前国际上能够批量生产21700电池的企业屈指可数，除了松下和特斯拉联合研发的21700电池量产外，先前三星SDI也曾展示相关21700产品，据了解该产品还没有进行批量生产。新闻资料显示，国内着手21700的厂家有比克、力神、亿纬锂能、天鹏电源、远东福斯特和猛狮新能等。2017年8月16日，国家工业和信息化部发布《道路机动车辆生产企业及产品公告》（第299批）的车辆新产品公示，公示了南京金龙和北汽的两款产品。其中，由南京金龙客车制造有限公司和北汽（常州）汽车有限公司生产的两款纯电动厢式运输车（型号为NJL5040XXYBEV25和BJ5040XXYCJ06EV），率先搭载了21700三元锂电池。三元系正极材料NCA具有高容量（≥195mA·h/g，2.75～4.30V）、易加工、存储性能优越的优点，适合客户现有工程条件，有望大规模应用在电动汽车上，以解决电动汽车续航里程及安全性问题。面对当前人们不断提高能量密度的现状，如果维持外形尺寸不变，又要提高能量密度，18650面临诸多挑战：

1）新材料如NCA、硅碳等供应链尚不成熟，成本高，供应难以稳定，比如更高能量密度的材料811，其本身稳定性和制造控制距离量产有段差距，结果就是短期内811比18650贵很多，性能却差不少。

2）新材料制程对环境要求高，固定资产投资高，能耗巨大。

3）单体电池容量低，通过成组（Pack）技术实现包装、封装和装配，Pack工艺是动力电池包生产的关键性步骤，其重要性也随着电动汽车市场的不断扩大而越发显著。目前，汽车用动力电池基本上由以下几个系统组成：电池模组、电池管理系统、热管理系统、电气及机械系统。然而，Pack技术要求和成本偏高。

4）极耳是锂电池产品的一种原材料。电池分正负极，极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体，通俗地说，电池正负两极的耳朵是在进行充放电时的接触点。单体电芯最多适应正单、双耳负极结构，而且对能量密度影响较为显著。

5）高能量密度与高倍率充电同时要求时，设计空间很小，18650用523+石墨体系，按新国家标准，将1C做到2.4A·h已到了设计的极限。

更大直径圆柱锂电池将成为必然趋势，更大尺寸电芯与18650从极耳设计和卷绕曲率两个角度进行对比，大尺寸电芯显示出明显优势。总体上，尺寸从18650提高到21700，获得的好处如下：

1）在适当提高能量密度情况下，可以选择常规材料，其性能稳定、性价比高。

2）可以适当进行多极耳结构设计，降低内阻。

3）同样能量密度下，可以选择快充特性石墨，改善快充性能。

4）适当增加直径和高度可以获得更大的有效体积。

5）单体电芯容量增大，辅助构件比例降低，有利于降低Pack成本。

而国家推荐标准GB/T 34013—2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》中，把原来征求意见稿中只有18650和32650修改成囊括21700在内的4个规格，也算作21700的一个重大利好了。然而，提升容量的路径与小单体等价于安全性高的早期观点有冲突。小型锂电池（＜3A·h）及电池模组（＜150A·h）的热安全性已经有很多较为成熟的方法进行防控，比如加入PTC元件、引入电流中断机制或压力传感器等。而大型锂电池（＞6A·h）或模组（＞200A·h）的安全性控制问题仍然存在挑战。大型动力锂电池相比于小型锂电池，由于其本身所含能量较高，当出现热安全性问题时，所带来的后果会更为严重。由于电池体积的增大，造成电池比表面积（单位质量物料所具有的总面积，分外表面积和内表面积两类，国标单位为m2/g）减小，进而使得电池单位体积散热面积降低。电池内部温度的不一致性也会随着锂电池的大型化和成组化而出现，这种电池单体之间的温度差异会使得电池热失控风险增加，进而导致电池出现一系列问题。

如果厂家掌握更为先进的安全管理技术，可以让风险停留在自身系统的可控范围内，就可以避免电池单体带来的风险。反过来也可以说，使用更大容量的电芯构建系统，理论上是以单体设计和电池Pack设计风险管理技术水平的提高为前提的。容量与安全性不可兼得，容量提升带来的风险和收益，是业内的显知识，主机厂是否全面接受，是否愿意为它让出一定的安全性，是21700进一步发展的关键一环。而生产21700所需要设备的调整和更新，则受到设备供应商的观点影响。单从技术积累角度看，18650被企业和学术单位研究多年，有很多公开数据和资料，比如热管理模型、热失控预测等，这对于自身研发能力还不完善的小企业来讲是一种资源。