形狀變，內在基本原理不變
這本來是一篇很乏味的技術科普文章，我們也思考過大家是否會對這些技術細節感興趣。但我相信肯定有人會對電池為何非要做成三種形狀存在興趣。同時未來在新能源汽車的技術發展上，如何能從電池上找到突破口，在這期內容中你都能找到答案。
動力電池與儲能電池是目前電池技術應用的兩大場景，儲能電池對應著太陽能等設備，動力電池則對應著新能源汽車。而曾經以日韓企業為首的電池技術企業，很早以前就將動力電池的封裝種類歸為了三大形式：圓柱形、方形以及軟包，直觀上它們的不同點只在於形狀上，但同時它們在技術開發和應用角度上也有著不同，那麼小小的電池會因為形狀不同而發生怎樣的區別？這就是我們本期的主要內容。
日本SONY公司在1992年發明了18650鋰電池，其也成為目前最常見的圓柱形電池設計，例如5號、7號鹼性電池都是採用這種形狀設計。而在之後的時間裡，由於電池的應用場景變多，以三星SDI為首的方形電池和LG華為為首的軟包電池設計也進入市場，目前三類技術也均在新能源汽車產品中進行應用。
對於在新能源汽車，三類電池目前市場格局也比較穩定，沒有最好只有更好，不同國家不同車企對於三類電池技術的認可度也不同。我在不久前參加了一場軟包電池的技術培訓，所以也想在今天的內容中和大家聊聊，反饋到我們實際應用層面，這三類不同形狀的電池到底有何區別。
變標不變本，形狀無論如何變也要遵循基本原理
因為製造封裝的方式不同，三類電池在形狀上有明顯的區別。但與電池本身的工作原理不存在影響，製造方式主要針對的是不同的工況標準，設備應用以及更多樣性的舉一個不是很嚴謹的例子，就像是蛋糕被做成了不同的形狀，但原料烘焙發酵的原理都是一樣的。
方形電池鋰離子運動示意
上面兩張圖表達鋰電池本身的工作原理。簡單來講，鋰離子在電解液中由負極到正極，完成一次放電，再由正極回到負極，完成一次充電。所以三種不同形狀的電池設計，都會遵守電池本身的技術原理，但由於形狀的不同，在製造成型上分成了卷繞和疊加兩種不同的工藝。
圓柱形電池
所有三種形狀的電池將通過圓柱卷繞、方形卷繞以及方形疊加最終變成了圓柱、方形以及軟包電池。但目前在製造標準上只有圓柱形電池擁有一致性，例如我們熟知的圓柱形電池，分為了14650、18650、21700等型號，很多人都認為這是一種電池類型，但其只是代表了圓柱形電池的尺寸標準。以18650型為例，其是目前最為成熟的圓柱形電池標準，而21700型正在通過不斷的技術進步，有可能在接下來取代18650型成新能源汽車的首選圓柱形電池產品。
方形電池
而方形電池的可塑性會更強一些，可以根據搭載產品的具體需求而進行定製化的設計。所以導致了大小不一，目前無論製造工藝或者應用標準，並沒有圓柱形電池那樣清晰的標準劃分。但也正因為其靈活性高，曾經長時間的應用在早期的新能源汽車中，車企可以根據車型需求而對方形電池尺寸進行定製化設計，而不用受到圓柱形電池標準的限制。方形電池也曾經被認為是最適合新能源汽車應用的電池設計。目前方形電池在很多車型上都採用了，比如寶馬的i系列車型，榮威ERX5，蔚來的ES8以及未來將上市的車和家的增程式SUV。
右側偽裝車為車和將上市的SUV
方軟包電池
軟包電池則因為採用了疊加的製造方式，所以追求的是更加纖薄的體積，在同容量密度下重量也是最輕的。同樣，軟包電池也可以根據應用需求進行定製，小到我們手機電池的大小，大到應用在新能源汽車上。軟包電池也一直被業內作為行動裝置上的首選，但在汽車應用上，也因為其體積的可控性同樣被汽車品牌所看重，尤其針對插電式混合動力車，在兼顧整車布局和重量時，軟包電池體積優勢更加明顯。目前通用旗下別克的VELITE 5/VELITE 5、凱迪拉克CT6插電、XT5混動版車型、日產的軒逸純電都採用的是軟包電池。
點評：三類電池設計各自以「換湯不換藥」的方式在市場中分得一席之地，從設計的角度上三者沒有絕對的好與壞。但最為成熟的圓柱形電池因為擁有了固定的全球標準，從製造到應用上，整套流程的嚴謹性會更高，電池企業根據標準造電池，而車企也根據標準來設計應用，擁有很強的一致性。中國在方形電池技術上曾試圖以歐洲地區的VDA標準作為模板，但引用的企業並不多，最早選擇使用方形電池的車企，也在逐漸更換為圓柱形電池，就是為了確保產品安全標準的一致性。
方形以及軟包電池的突出優勢就是可定製化，也因此出現了標準不一、工藝不一，車企與電池供應商必須在設計與工藝要求上達成嚴格一致，顯然對雙方都有了更高的研發成本付出。目前車企對於這三類電池都有自己的喜好和看法，會選擇自己更認可的類型而進行產品研發，畢竟用戶關心的是車輛續航表現以及更好的配重與布局，不存在對電池形狀的喜好。下面我們再來聊聊，在不同形狀下，三種電池設計在能量密度以及安全性上，各自又有什麼樣的優勢呢？
下個十年，誰會是技術趨勢？
在追求能量密度和體積重量上，如何分出勝負
三類電池設計在外形不同的基礎上，也擁有了各自的特性，三者能夠通過外殼用料以及內部設計對單體電池的能量密度、安全性以及重量造成影響。我們再拿蛋糕來舉個例子，餡料代表了單體電池的能量密度，而麵粉代表了外殼包裝材料選擇。
不鏽鋼外殼曾經一直是圓柱形和方形電池的主要包裝材料，因工藝標準要求的不同，更輕的鋁製外殼在方形電池上快速推廣，也在重量上形成了優勢。而軟包電池且因追求更加纖薄的工藝，採用了比鋁外殼重量更輕的鋁塑膜包裝，其纖薄的程度你甚至可以用手感覺到內部液態電池的流動。
外殼用料的不同除了直接對單體電池重量有影響以外，對電池的安全、發熱等環節來講也有影響，畢竟最終一個個的單體電池要封裝成組後放到車內。鋼殼最硬也最重，它需要兼顧到安全工藝難度也相對低一些，而鋁膜外殼最軟最輕，在單體製造以及封裝成組時，兼顧到的散熱和碰撞安全也要求更高。而方形電池會根據對外殼材料選擇的不同，存在同樣的優劣勢。
不要小瞧單體電池重量這件事，這對於最終封包成組放到車內將有多層面的影響。更輕的電池組能讓整體車重更低，從而也為車企提供了更多的布局方法。隨著技術的進步，越輕的單體電池在兼顧能量密度上的空間也越大。例如車輛在設計時限制只能裝載一套300公斤的電池組，顯然單體越輕，整個電池組的能量也就越高。
而使用鋼殼的圓柱以及方形電池，在安裝到車身上時控制配重的方案就比較單一。例如目前主流採用圓柱形電池組的新能源車，電池組的布局都在車身的正下方，這樣才能保證即便重一些也不會影響整車的前後配重，但對車輛的離地間隙和車廂內的地臺高度都會有影響。而有一些插電式混合動力車，會把圓柱形電池組放在後備廂下方，通過與車頭發動機的重量進行配比，來均衡整車的配重，但結果就是後備廂的空間會變的很小。
電池形狀不同，在封裝成組的安全性和散熱等問題上，三類電池也出現了不同的優劣勢。圓柱形電池雖然重且能量密度低，但在封包時圓柱與圓柱之間形成了很好的散熱空間，而方形則不同，如果不留縫隙緊緊的排列在一起，除了散熱是問題之外，單體與單體之間的安全性也難以保障。而軟包電池在封裝上會更加複雜，要安全、要保證散熱，還要不損失軟包本身纖薄體積的優勢，可想而知在封裝成組環節上有多複雜。很多車企會慎重考慮三類電池設計在封裝環節的成本投入，目前來講，依靠工藝難度和成本更低的圓柱形電池是現階段的好選擇。
點評：簡單來講，如果方形電池也擁有和圓柱型電池一樣的行業標準，那麼兩者在應用上的優劣勢基本也在同一水平線上。但軟包電池因為設計靈活性則更強，且兼具了重量低、能量密度高等更明顯的優勢，在未來會成為更多車企首選的電池類型。但反之對於製造工藝的要求也要明顯高於前兩者，生產、封裝中額外的成本和技術要求，都變相加大了新能源汽車的終端售價。所以軟包電池極端的優劣勢也讓一些車企望而卻步，目前採用軟包電池的新能源車型比例也是最少的。說白了，在成本面前，更多企業還是選擇了向其它兩者妥協。
另外，單體電池類型只是車企在選擇研發方向的角度之一，封裝技術也是尤為關鍵的環節。目前一線的新能源車企都擁有自己的電池實驗室，他們在供應商提供的電池原型基礎上做二次研發，最後再把研究方案反推給供應商，兩者一起敲定所需的電池方案。然後再由自己或者供應商完成封裝的工作，最後一步經過縝密的配重布局完成裝車。過程中所有環節都存在利弊權衡，也是反推回車企到底會選擇哪一類電池類型的關鍵。
拉近甚至反超，中國電池企業與車企的合作共贏
從單體電池到車輛應用，車企與電池企業之間有著密切的合作關係。例如圓柱形電池的應用上，松下與特斯拉保持了多年的技術同盟，美國通用汽車也與LG化學在軟包電池技術上達成技術共識。在此之前，三星SDI也與寶馬在方形電池上也有大量的技術合作。
電池供應商來決定了可靠的電池基礎工藝，車企的二次研發決定了電池應用到車輛上最終續航、配重以及安全這三大主要問題上的表現。三類電池的核心技術曾經長時間的被日韓企業所掌握，也成為了之前新能源車企首選的電池供應商。而近兩年，中國電池以及新能源車企與國外相比，不但在電池技術與應用層面有了大幅度的拉近，且在產能、品控以及實際應用表現等層面都有更多話語權，國外車企選擇中國電池企業作為首選供應商已經成為常態。
到2018年，中國電池企業已經具備了圓柱、方形以及軟包電池製造的全面技術能力，並且在三類電池的單體能量密度上也有十足進步。近幾年中，中國電池企業也從圓柱、方形電池向軟包電池技術過渡，以寧德時代、力神、國軒高科為首的幾家企業正在選擇採用軟包電池技術路線。
同時，隨著國內新能源汽車補貼標準對電池能量密度提出了更高要求，軟包技術成為了電池實現輕量化和高密度化的重要手段，今年年初寧德時代、力神、國軒高科三家承擔新型鋰離子動力電池項目的企業，均選擇了軟包電池技術路線，單體電芯能量密度均達到300Wh/kg。但其對高製造工藝的要求，也要求著相關後市場技術的提高，例如外包裝鋁塑膜的工藝和產能，高精密度的疊片、電解液注射和封裝設備技術。
2017年新能源乘用車補貼標準純電動車（R=續航裡程）100km≤R＜150km補貼2萬元/輛150km≤R＜250km補貼3.6萬元/輛R≥250km補貼4.4萬元/輛額外補貼動力電池的質量能量密度高於120Wh/kg的按1.1倍給予補貼插電/增程/混合動力車（純電力R≥50km）補貼2.4萬元/輛燃料電池車直接補貼20萬元/輛其他政策免徵購置稅（入新能源車型目錄車型，截止到2017年12月31日）
但在通往軟包電池的技術之路上，仍有很多現實問題。首先是鋁塑膜技術成本高、國產技術水平有限，尤其是在疊片技術工藝上的把控，要求要比卷繞要求更高，品控問題會直接影響電池壽命以及安全問題。想保持產能和品控的同步增長，電池企業與車企間的同心協力更為關鍵。
總結：在新能源爆發前，都有可能成為趨勢
幾年前，中國新能源汽車的動力電池以磷酸鐵鋰方形電池為主，因為當時中國企業自有的圓柱型電池技術以及成本控制能力相比海外並不突出。而在車企角度，可定製化的方形電池更利於快速研發和設計新能源車型。現在來看，為了更快的拿出成績，當時電池和汽車企業將方形電池作為了過渡性技術，而當前，圓柱形三元鋰電池已經成為了新的主流。
但這並不代表誰將會成為最終的技術代表，圓柱、方形以及軟包電池目前對於市場而言都具有各自的獨特價值，誰能成為新的趨勢也同樣會受到車型研發速度的影響。而對於我們而言，它們各自的優勢能否被車企最終在產品力上最大化的展現出來，才是真正值得我們關心的問題。白貓黑貓，能抓老鼠的都是好貓，軟包圓柱，跑的遠的都是好電池。