為什么特斯拉會對圓柱電池“情有獨鐘”，“圓柱電池”身上到底有哪些優(yōu)點讓特斯拉這個“技術(shù)男”念念不忘呢？小編就以“現(xiàn)任情人”18650來分析一下。

對于用18650電芯做為新能源電動汽車電池的技術(shù)路線，大家首先可能把目光轉(zhuǎn)向特斯拉。特斯拉在進行電池開發(fā)時，測試了很多種類的電池，但最后把目標鎖定在18650電池，究竟18650的電芯有哪些優(yōu)缺點，讓我們來分析18650的真面目。

首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認識

我們?nèi)粘３Ｕf的18650其實是指電池的外形規(guī)格，是日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標準電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。18650電池原指鎳氫電池和鋰離子電池，由于鎳氫的現(xiàn)在比較少用，所以現(xiàn)在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節(jié)標稱電壓一般為：3.6V 或3.7V；最小放電終止電壓一般為： 2.5～2.75V。常見容量為1200～3300mAh。

關(guān)于一致性

18650電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。多年來，日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。

相比之下，層疊式鋰離子電池遠遠沒有成熟，常見的有方形電池、軟包電池，甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統(tǒng)一，電池廠商所具備的生產(chǎn)工藝也不能滿足條件，大多數(shù)以人為控制為主，電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求，大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理也將不能讓每個電池的性能更好地發(fā)揮，而18650電芯可以解決這一問題。

特斯拉使用的松下18650圓柱電池

總結(jié)來說，18650電池的單體容量小，所需的單體數(shù)量會很多(Model S有7104只)，但是一致性很好；層疊式電池的容量可以做得較大(20 Ah到60 Ah)，單體數(shù)量可以降低，但是一致性差。相比之下，現(xiàn)階段很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝。因此，在研發(fā)Roadster和Model S的時候，Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池，自行開發(fā)電池系統(tǒng)。開發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng)，相比之下，前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池數(shù)目增多，但是如果這些電池的性能是可靠的，管理起來還是容易一些。

對比另一款很成功的純電動汽車，日產(chǎn)的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產(chǎn)與NEC合作多年，在電池技術(shù)方面積累很深厚，在品質(zhì)控制方面應(yīng)該有相當(dāng)?shù)墓α?。LEAF的電池來自AESC，日產(chǎn)與NEC的合資公司。

對比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開發(fā)電動汽車時與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。

關(guān)于散熱能力

層疊式電池的厚度薄、表面大，均熱、散熱能力都不錯，因此日產(chǎn)的LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(tǒng)(其實就是不管理！)，由空氣的自然對流將熱量帶走。

從左到右，LEAF從單體，到四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊，再到由48個電池模塊串聯(lián)組成的電池組如下圖所示：

日產(chǎn)LEAF使用的NEC層疊電池

可以看到，電池組上沒有任何的風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。大概這就是無招勝有招。

反過來看Tesla，18650電池的個頭比較小，在正常充放電時單體電池內(nèi)部的溫差也不會太大。但是，6000多個單體電池的溫度也應(yīng)當(dāng)保持在不超過5°C的范圍內(nèi)，這是一件非常困難的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？參看Tesla 的電池管理系統(tǒng) (BMS) 相比其他電動汽車有哪些優(yōu)勢？

特斯拉電池模組中的液冷系統(tǒng)

如上圖，這些管道是冷卻液的流道，流道均勻分布在電池模組中間，能讓每只電芯能很好地跟水管接觸，這樣每只電芯在冷卻時帶走的熱量也幾乎一樣，溫差也就可以有效地控制在很小的范圍內(nèi)。

總結(jié)來說，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的。也就是說，如果從散熱能力方面考慮，使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選擇。

關(guān)于能量密度

談到能量密度，就必須區(qū)分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。

就單體電池的能量密度來看，18650電池是要高于層疊式鋰離子電池。我這里查到的日產(chǎn)LEAF所用的33 Ah鋰離子電池的能量密度是157 Wh/kg，GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kg；而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211 Wh/kg。但是，18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜，由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450 kg，能量密度是118 Wh/kg，而LEAF電池組的重量是225 kg，能量密度是107 Wh/kg。在電池組層次，兩者的能量密度已經(jīng)不相上下。

從Tesla披露的信息看,在現(xiàn)有條件下,其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)的能量密度在300Wh/kg,相比18650電池系統(tǒng)的250Wh/kg提高了20%。從松下的動力鋰電池單體的測試數(shù)據(jù)來看,其21700電池的體積能量密度遠高于18650型電池單體。單體電芯能量密度的提升要遠高于成組后提升的20%幅度。

由此可見,相比18650型號電池,21700電池的優(yōu)勢如下:

第一，空間利用率變大,電芯單體及系統(tǒng)能量密度都可得到提升。從18650型號切換至21700型號后,電池單體電池容量可以達到3~4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需電池的數(shù)量可減少約1/3。

根據(jù)《中國制造2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，電池能量密度達到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達到500Wh/kg。目前，我國各電池動力鋰電池能量密度達到什么水平了呢？

比亞迪：目前，比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh，而接下來比亞迪計劃將能量密度繼續(xù)提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池，比亞迪也在同步開發(fā)三元鋰電池，而如果將三元鋰電池的技術(shù)結(jié)合到磷酸鐵鋰電池上，對原有用石墨作為負極材料的做法進行一些調(diào)整，那么在2020年左右，比亞迪計劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。

另外，在跟進的三元電池方面，比亞迪的三元電池已經(jīng)具備量產(chǎn)條件，目前能量密度也達到了200Wh/kg。比亞迪三元電池的目標是2018年電池比能量達到240Wh/kg，2020年達到300Wh/kg。

沃特瑪：生產(chǎn)的32650圓柱型動力磷酸鐵鋰電池，單體能量密度已經(jīng)達到145Wh/kg，下一步目標是實現(xiàn)160Wh/kg；三元電池目前能量密度為200Wh/kg，預(yù)計到2020年達到300Wh/kg的水平。

國能電池：早在2013年，國能磷酸鐵鋰和三元電池單體能量密度就達到了160Wh/kg和200Wh/kg。預(yù)計2017年年底，磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達到180Wh/kg、PACK達到134Wh/kg，三元電池能量密度將突破240Wh/kg。

捷威動力：在能量密度方面，公司目前已經(jīng)量產(chǎn)的三元軟包電池單體比能量達210WH/Kg。在提高電池安全性的基礎(chǔ)上，預(yù)計2020年公司軟包電池單體能量密度可達300WH/Kg，Pack成組后可達220WH/Kg；鈦酸鋰電池單體能量密度達到110WH/Kg以上。

智慧能源：公司量產(chǎn)的動力電池單體能量密度可達220Wh/Kg，PACK成組后能量密度達到140Wh/Kg。同時，公司BMS系統(tǒng)可做到5級防護，電池包采用輕量化材料，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

比克電池：2016年，比克三元材料動力電池行業(yè)占比30%以上，位列第一。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg，后續(xù)還將進一步提升至300Wh/kg。

卡耐新能源：卡耐新能源已經(jīng)可以批量供應(yīng)能量密度220Wh/kg電芯，系統(tǒng)比能量大于130Wh/kg電芯，同時工藝和技術(shù)層面已經(jīng)分別實現(xiàn)250Wh/kg、技術(shù)300Wh/kg產(chǎn)品儲備。

超威：消息稱超威集團旗下子公司浙江超威創(chuàng)元實業(yè)有限公司(以下簡稱超威創(chuàng)元)在圓柱18650鋰電電芯研發(fā)方面取得新進展，新研發(fā)出的圓柱18650鋰電電芯容量一舉突破3000mAh“大關(guān)”，達到4050mAh，比能量已超過300wh/kg，提前實現(xiàn)科技部所給出的目標。

超威創(chuàng)元18650-4050mAh電芯比能量可達306Wh/kg，可以說提前完成了科技部“2020年的動力電池單體比能量300 Wh/kg”的目標。此款電芯不僅在容量和比能量上有所突破，在其他性能上也很優(yōu)異。任寧說，這款電芯循環(huán)壽命在300次以上(1C100%DOD)，而低溫性能和荷電保持能力均已達到國標(GB/T31484、GB/T31486)要求，-20℃條件下1C放電容量大于70%。

關(guān)于安全性

前面提到層疊式鋰離子電池的各種優(yōu)點，但它也有一些缺點。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的，而鋁塑膜的厚度薄，機械強度差，在汽車發(fā)生碰撞等極端情況下，鋁塑膜很容易發(fā)生破損導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生。這也就解釋了為什么日產(chǎn)要在4個單體組成的電池模塊外面再加一個鋁殼。

18650電池一般是鋼殼，安全性更好；而且前面也提到隨著18650電池生產(chǎn)工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。

Tesla在應(yīng)對這些18650電池可能出現(xiàn)的安全事故上，也傾注了很多心血。如果一個單體電池出現(xiàn)溫度過高等異常情況，根據(jù)異常情況的惡劣程度，這枚電池或其所在的模組會斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小，只要不發(fā)生蔓延，事故的嚴重程度將是較低的。

關(guān)于成本

18650鋰離子電池具有容量大、壽命長、安全性能高等特點，又因為體積小，重量輕，使用方便，深受消費者的青睞。隨著人們對18650電池技術(shù)研究的不斷加深，使得電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。作為最早的鋰離子電池，18650電池也是目前世界上最成熟、最穩(wěn)定的電池組合，至今仍然占據(jù)領(lǐng)先位置。我國每年生產(chǎn)18650電池約幾十億節(jié)，這一數(shù)據(jù)遠遠超出其他材料的電池。

而Tesla采用18650電池，就可以利用日本松下等廠商之前的生產(chǎn)線進行生產(chǎn)。在消費類電子產(chǎn)品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下，松下等廠商與Tesla合作升級產(chǎn)品，將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動力電池。工業(yè)生產(chǎn)有一個規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達到一個量級之后，成本會大大降低。一輛新能源汽車就需要成千上萬節(jié)18650電池，因此單體的采購成本可控。

可以說，采用18650、21700等圓柱電池作為新能源電動汽車的動力之源，在現(xiàn)階段可以說是最優(yōu)的選擇。但是隨著電池技術(shù)工藝的成熟，未來也會出現(xiàn)更多新型的電池應(yīng)用在新能源電動汽車上。

從成本來看,根據(jù)Tesla披露的電池價格信息,預(yù)計21700的動力鋰電池系統(tǒng)售價為170美元/kWh,相比18650的售價185美元/kWh,價格下降幅度可達8.1%。18650的系統(tǒng)的成本約為171美元/kWh,改用21700后,系統(tǒng)成本約能實現(xiàn)9%左右的降幅,達到155美元/kWh。