鋰電池三大電芯封裝技術(shù)的發(fā)展歷程

一、方形、圓柱、軟包三大電芯封裝技術(shù)方向行業(yè)總覽

1、三大電芯封裝技術(shù)的發(fā)展歷程

從目前單體電芯的技術(shù)分類來看，主要包括圓柱、軟包以及方形電池。其中，圓柱的優(yōu)勢在于較高的生產(chǎn)效率/較低生產(chǎn)成本（vs.軟包較高的單體電芯能量密度與安全性，方形較長的使用周期），而圓柱的劣勢則主要包括相對較低的單體電芯能量密度與安全性（vs. 軟包與方形較低的生產(chǎn)效率/較高生產(chǎn)成本，方形相對較低的單體電芯能量密度與安全性）。

2、三大電芯封裝技術(shù)的優(yōu)劣勢比較

方形電池：封裝可靠度高、系統(tǒng)能量效率高、能量密度較高、結(jié)構(gòu)較為簡單、擴(kuò)容相對方便、可以通過提高單體容量來提高能量密度、穩(wěn)定性相對好。但由于方形電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，所以市場上型號太多，工藝很難統(tǒng)一；且生產(chǎn)自動化水平不高、單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠(yuǎn)低于單體壽命的問題。

圓形電池：與方形都屬于硬殼封裝，圓柱型電池工藝成熟，PACK 成本較低，電池產(chǎn)品良率以及電池組的一致性較高;由于電池組散熱面積大，其散熱性能優(yōu)于方型電池，但后期依然要面對成組后散熱設(shè)計難度大、能量密度低等問題。

軟包型電池：采用鋁塑膜包裝、安全性好、重量較鋼殼和鋁殼電池輕、具有較高的質(zhì)量比能量、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命更長，但是由于型號眾多自動化程度低、生產(chǎn)效率低、成本高、高端鋁塑膜嚴(yán)重依賴進(jìn)口、一致性較差。

3、三大封裝形式的電池市場發(fā)展趨勢

預(yù)計未來方形電池為封裝形式主流。根據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù)顯示，2020年，軟包、圓柱、方形三類封裝形式的市場分別為：9.50%、9.70%、80.80%；預(yù)計 2025年，軟包、圓柱、方形三類封裝形式占比將分別達(dá)到：15.0%、25.0%、60.0%。我們預(yù)計2025年軟包、圓柱、方形電池三者全球出貨量將分別達(dá)到：180GWh、300GWh、718GWh.

二、方形、圓柱、軟包三大封裝方式產(chǎn)品的核心競爭力

1、方形電池

方形電池：性能適應(yīng)市場需求，安全性較高適合搭載于中高端車型

方形電池在性能方面更加適合市場需求。方形電池具有內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長、封裝可靠度高、耐受性好、成組相對簡單、系統(tǒng)能量相對高等優(yōu)勢，憑借這些優(yōu)勢，方形電池在目前階段更加能適應(yīng)市場需求。但其也具備一些劣勢包括：型號多，工藝難統(tǒng)一，生產(chǎn)自動化水平不高，單體差異大等。

方形電池的結(jié)構(gòu)較為簡單，鋁殼體為主流。不像圓柱電池采用強(qiáng)度較高的鍍鎳鋼作為殼體，因此整體附件重量要輕，相對能量密度較高。

方形電池安全性高，適合中高端車型。方形鋰離子電池由于安全性高，能夠通用于乘用車和商用車，無論純電動還是混合電動。主機(jī)廠在中高端車型上也更傾向于采用方形電池。

方形電池結(jié)構(gòu)較為簡單。鋁殼體為主流，典型的方形鋰電池主要包括：頂蓋，殼體，正極板、負(fù)極板、隔膜、絕緣件和安全組件等。

寧德 CTP 和比亞迪“刀片”各有千秋。比亞迪刀片電池把單個電芯寬度無限拉長，厚度做薄，然后直接把電芯放在整個 PACK 里面進(jìn)行安裝，盡可能簡化模組。寧德時代 CTP 在模組和模組間采用一種套筒的連接方式緊貼在一起，同時套筒下游固定裝置和整車相連，從而簡化了結(jié)構(gòu)。寧德 CTP 功率密度更高，成組效率更高，對大多數(shù)整車廠成本控制更為友善；而比亞迪“刀片”電池在空間利用率上表現(xiàn)更好，結(jié)構(gòu)靈活性和耐久性上更具有價值和想象空間。

方形電池市場占比逐步爬升，占據(jù)絕大部分市場。方形電池市場占比從2018年的74%提升到了2021年的87%。

2、圓柱電池

圓柱電池：能量密度、成組效率低但一致性、安全性較好

圓柱電池能量密度相對較低。目前圓柱關(guān)鍵以磷酸鐵鋰電池為主導(dǎo)，其容量高、輸出電壓高、優(yōu)異的充放電循環(huán)安全性能、輸出電壓比較穩(wěn)定、能大電流量放電、操作安全穩(wěn)定、對環(huán)境無污染。

圓柱電池封裝的優(yōu)勢有：其生產(chǎn)工藝成熟；單個一致性較好；電池包成本低，使用范圍廣；耐高溫，不易爆炸，安全性較好；內(nèi)阻小，不易自耗電，有望替代鎳氫電池的企業(yè)產(chǎn)品。其劣勢包括：整體重量重；空間利用率低；成組效率低；能量密度低；徑向?qū)岵睿粏挝蝗萘枯^小；電池管理復(fù)雜度較大。

圓形電池結(jié)構(gòu)與方殼類似，PTC 熱敏電阻為獨有。常規(guī)的圓柱電池除形狀外，結(jié)構(gòu)與方殼電池類似。典型的圓柱電池結(jié)構(gòu)包括外殼、蓋帽、正極、負(fù)極、隔膜、電解液、PTC 元件、墊圈和安全閥等。一般電池外殼為電池的負(fù)極，蓋帽為電池的正極。

4680為最新突破：全極耳設(shè)計主要為了過流和熱擴(kuò)散。極耳的主要作用是作為極片與極柱的導(dǎo)電通路，決定了電池內(nèi)阻和電池發(fā)熱量。與立式極耳相比，全極耳設(shè)計把導(dǎo)電通路從局部小塊，變成了整個平面的線形焊接，使發(fā)熱量減少同時強(qiáng)化了快充性能。性能突破。4680 大幅提升了電池功率（6 倍于 2170 電池），降低了電池成本（14%于 2170 電池），優(yōu)化了散熱性能、生產(chǎn)效率、充電速度、能量密度、循環(huán)性能等。

2021年，全球圓柱鋰離子電池出貨量達(dá)到121.7億顆，同比增長21.0%。2021年全球圓柱鋰離子電池出貨量增長較快的細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域主要包括新能源汽車、儲能和電動工具等，而電動兩輪車用圓柱鋰離子電池則因為共享電動車需求大幅度減少以及部分圓柱電池被方形和軟包替代，其出貨量在2021年出現(xiàn)較大幅度的同比下滑。

2021-2025年，全球圓柱鋰離子電池市場規(guī)模預(yù)計將增長98.1億美元，期間市場年復(fù)合增長率為6.79%。

3、軟包電池

軟包電池：性能優(yōu)異，但成本高可靠性挑戰(zhàn)大

軟包電池電容量和能量密度均較高。軟包電池容量大都在 30Ah-70Ah，其能量密度大多在220V-300V，并且能量密度上最大的優(yōu)勢就是輕，即便是運(yùn)用了相同的電芯，三元軟包電池的能量密度也會比鋼殼三元鋰電池高出 40%。

軟包電池優(yōu)勢還包括：其安全性能好；重量輕，比能量高；內(nèi)阻小，從而降低電池的自耗；電池容量大，充放電倍率高；外觀設(shè)計靈活。其劣勢包括：成本較高，國內(nèi)多為進(jìn)口；一致性差，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，生產(chǎn)效率低；成組效率低；容易漏液；殼體機(jī)械強(qiáng)度低。

軟包電池結(jié)構(gòu)：外殼為鋁塑膜且無頂蓋，軟包電池的基本結(jié)構(gòu)與圓柱和方形類似，包括正極、負(fù)極、隔膜、絕緣材料、正負(fù)極極耳和殼體，但軟包電池的殼體是鋁塑膜，且沒有頂蓋。加壓工藝是軟包電池成型工藝中獨特環(huán)節(jié)。鋁塑膜封裝結(jié)構(gòu)決定了極片不能緊密排列，極片之間容易出現(xiàn)空隙，從而影響電池性能，所以在化成兩次充電之間采用滾壓工藝將極片之間的氣體排除。

軟包電池由 AESC 開創(chuàng)，由 LG 化學(xué)發(fā)揚(yáng)光大。2007 年，動力電池公司 AESC（日產(chǎn)與 NEC 合資公司）將用于手機(jī)產(chǎn)品的軟包電池做到了車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)。2010 年后，搭載 AESC 軟包電池的純電動車日產(chǎn)聆風(fēng)廣受歡迎。2009 年，LG 化學(xué)與現(xiàn)代共同推出首款現(xiàn)代 Avante 以及 Forte 電動車，正式邁入汽車電動化時代。2009-2015 年，LG 化學(xué)動力電池客戶先后囊括通用、福特、科勒萊斯美國三大主流車企，順利拿下雷諾、沃爾沃、奧迪、戴姆勒等歐洲客戶，并通過雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟逐漸進(jìn)入日系車供應(yīng)鏈。

三、方形、圓柱、軟包三大類電池總結(jié)

圓柱電池：優(yōu)點是一致性好、生產(chǎn)效率高、單體成本低，但能量密度較低，模組需要電芯較多，成組后成本優(yōu)勢削弱，壽命較差，電池管理復(fù)雜度大;

方形電池：是國內(nèi)的主流封裝形式，能量密度優(yōu)于圓柱，優(yōu)點是對電芯保護(hù)強(qiáng)、成組效率高，不足是大電池對制造工藝挑戰(zhàn)大;

軟包電池：外形設(shè)計靈活，單體的能量密度較高，封裝工藝長期可靠性有挑戰(zhàn)、鋁塑膜加工和使用成本高。

單體性能上，1）能量密度：軟包>方形>圓柱，主要考慮機(jī)械件重量在質(zhì)量中的占比，隨電池尺寸變大，差異變小；2）散熱能力：軟包、方形>圓柱；圓柱電池的散熱能力在系統(tǒng)層級，因為電池間隙更大得到改善；3）循環(huán)壽命：軟包>方形>圓柱，圓柱的電解液量相對少；4）安全性：圓柱>軟包>方形；此時大圓柱需要使用鍍鎳鋼，此處安全是個相對概念。安全閾值的絕對值在電池?zé)崾Э氐姆逯的芰肯拢町惒幻黠@；5）充放電倍率：圓柱>方形>軟包；6）成本優(yōu)勢：圓柱>方形>軟包。

系統(tǒng)性能上，1）成組效率：圓柱、方形>軟包，圓柱、方形、軟包模組/系統(tǒng)成組效率分別為 87%/65%、89%/70%、85%/60%；2）可靠性:方形>圓柱>軟包；軟包封口邊漏液是主要的市場失效表現(xiàn)；3）生產(chǎn)效率：圓柱>方形>軟包；4）一致性：圓柱>方形>軟包；5）成本優(yōu)勢：模塊、電池包成組后圓柱成本優(yōu)勢逐漸削弱。

在能量密度方面，軟包電池具有優(yōu)勢。該維度上國內(nèi)領(lǐng)先的軟包電池有寧德時代、孚能科技等，圓柱電池有力神、比克等，方形電池有寧德時代、億緯鋰能等。國內(nèi)外產(chǎn)品在能量密度的差距上，圓柱、軟包電池較大，方形電池基本沒有差距，該維度上國外第一梯隊多為日韓企業(yè)，如 LG 化學(xué)、三星 SDI、松下、遠(yuǎn)景動力等。

在循環(huán)壽命上，方形、軟包電池遠(yuǎn)優(yōu)于圓柱電池。圓柱電池的壽命可靠性較低與內(nèi)阻較大、散熱能力較弱有關(guān)。圓柱卷繞式電池在使用過程中的一種老化失效形式是卷繞極片發(fā)生翹曲，翹曲發(fā)生的來源可能是電極各層在循環(huán)中的體積變化步調(diào)不一致。下圖存儲、低倍率循環(huán)、高倍率循環(huán)后的電極形態(tài)對比中可以明顯看到高倍率下的翹曲現(xiàn)象。在卷繞中心處加銷軸能一定程度上抑制卷芯的形變，但銷軸的引入會增加成本、重量等。