傳統的18650電池具有成熟的配套產業鏈，成本低廉，是一種理想的鋰離子電池，在消費電子領域得到了廣泛的應用。但是18650電池容量較小，在動力電池領域應用時，往往需要上萬隻單體電池組合成為電池組，因此導致電池組的管理難度大幅上升，因此在特斯拉的帶領下，掀起了一場21700替換18650電池的風暴。
相比於18650電池，21700電池的容量更高，減少了電池組內單體電池的數量，降低了電池組的複雜程度，吸引了眾多的關注。近日，德國巴登-符騰堡州太陽能與氫能研究中心的Thomas Waldmann（第一作者，通訊作者）等人從電性能、熱性能等方面對兩種電池進行了全面的對比，研究表明21700電池在大電流充放電的過程中產熱更為明顯，因此電池的極化相應較小，同時由於外殼等非活性物質佔比降低，因此能量密度可以提升6%左右。
為了能夠更為準確的對兩種電池進行對比，作者採用相同配方的電極、隔膜和電解液製備了18650和21700兩種電池，兩種電池的配方設計如下表所示，因此兩種電池的主要區別來自於尺寸方面。實驗中為了獲取電池內部的溫度信息，作者在電池內部的中間位置植入了一個K型的熱電偶。
作者製備的18650電池的容量為1.625Ah，重量為41g左右，內阻為25mΩ，而21700電池容量為2.457Ah，重量為59.71g，內阻為13.2mΩ。下圖a和b為兩種結構的電池在不同倍率下的充放電電壓曲線，可以看到兩種結構的電池的電壓曲線非常接近，但是在較高的倍率下，21700電池的放電極化相對較小，這主要是因為21700電池內阻更小，同時放電過程中電池內部的溫度也更高。
從下圖c所示的電池內部溫度與電池放電倍率之間的關係可以看到，隨著電池充放電倍率的增加，電池內部的溫度也在明顯增加，但是直徑更大的21700電池在大倍率下溫度要明顯高於直徑更小的18650電池。在3.5C倍率下，兩種電池內部溫度差值為2.7℃，計算表明在這一溫度差值下，21700電池內部石墨材料的擴散係數為18650電池的1.1倍，這也解釋了為何21700電池在大倍率放電時極化更小。
下圖a為兩種電池在不同倍率下的放電容量，以及兩種電池放電容量的比值，可以看到兩種電池具有相似的倍率性能。從下圖b所示的放電能量數據可以看到，21700電池相比於18650電池放電能量多50%，考慮到21700電池重量的增加，因此電池的能量密度提升約為6%。
在下圖中作者採用CT技術對電池的內部結構進行了分析，根據CT獲得的電池剖面圖，作者計算了電池的卷繞圈數，其中18650電池為20圈，21700電池為26圈。
根據上述的CT數據和計算數據，21700電池約比18650電池多卷繞5.3圈電極，考慮到21700電池高度的變化，因此整體上21700電池比18650電池的容量多51%左右。
對於圓柱形電池，卷繞長度與電極厚度之間存在密切的關係，下圖中作者對比了不同的dascs厚度（正極厚度+負極厚度+2*隔膜厚度）對兩種電池的卷繞圈數的影響，整體上來看隨著電極厚度的增加，兩種電池的卷繞圈數都在降低，但是基本上21700電池的因卷繞長度增加和電池高度增加引起的容量增加都在50%左右。
雖然21700和18650電池理論上直徑分別為21mm和18mm，但是實際上為了能夠卷繞更多的電極，提升電池的容量和能量密度，因此通常能量型的電池的直徑都要略大於理論值，例如作者測量的某款能量型21700電池外徑實際是21.15mm左右。因此在下圖a中作者分析殼體外徑增加50-400um時，電池增加的卷繞長度，從圖中能夠看到在極片+隔膜總厚度為200um時，殼體直徑增加400um時，電極額外增加的卷繞的長度可以達到1圈。
在下圖b中作者則對比了當電池的外徑分別為20700、21700、22700、25700和30700電池相較於18650電池所增加的卷繞長度，可以看到在電極+隔膜總厚度為200um時，20700電池額外卷繞的電極增加5圈，21700增加7.5圈，因此相比於18650電池容量分別增加0.96Ah和1.35Ah，如果繼續增加外殼直逕到22700、25700和30700，則容量分別增加1.77Ah、3.14Ah和5.82Ah，隨著電池容量的增加，電池外殼等非活性物質所佔的比重有所降低，因此電池比能量有所提升。
極片的彎曲度對於卷繞結構電芯也具有重要的意義，下圖a為不同的電極+隔膜厚度下，電極彎曲度與卷繞圈數之間的關係，可以看到越靠近電芯中間位置、電極的總厚度越薄，則極片的彎曲度越大。這種彎曲度的不同也會對電極本身造成影響，電極朝向外殼的部分，承受的屬於張力，而面向電芯的部分則承受的壓力，這會對電極活性物質的粘結力產生一定的影響，研究表明在循環後的電池中，負極越靠近中心的位置、電極越厚，以及電極中朝向中心位置的活性物質剝落現象也更為嚴重。
下圖為18650和21700兩種結構的電池在1C倍率下的循環測試結果，可以看到兩種的容量衰降趨勢基本是一致的，容量衰降速度則基本相同，這表明在這一測試條件下，電池結構對於電池循環性能的影響較小，而材料自身的特性對於電池的循環性能影響更大。
Thomas Waldmann的研究表明由於結構上的區別會導致兩種電池在電性能和熱特性上的區別，例如由於放電過程中21700電池熱效應更為明顯，因此21700電池在倍率測試中極化更小。21700電池能夠捲入更多的電極，因此外殼等非活性零部件的重量佔比顯著降低，因此電池的能量密度相比於18650電池提升6%。
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18650 vs. 21700 Li-ion cells – A direct comparison of electrochemical, thermal, and geometrical properties, Journal of Power Sources 472 (2020) 228614,Thomas Waldmann, Rares-George Scurtu , Karsten Richter , Margret Wohlfahrt-Mehrens
文/憑欄眺