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18650電池有什么特性?TSLA們?yōu)楹芜x用18650電池

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:306次  |  2024年01月17日  

18650其實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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,由于鎳氫電池現(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(biāo)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。


有關(guān)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相關(guān)經(jīng)驗(yàn),使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。


相比之下,層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)不到18650電池的水準(zhǔn)。假如電池的一致性達(dá)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。


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(ModelS有7104只),但是一致性很好;層疊式電池的容量可以做得較大(20Ah到60Ah),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ModelS的時(shí)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?cái)?shù)目增多,但是假如這些電池的性能是可靠的,管理起來還是容易一些。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

比較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?yàn)槿债a(chǎn)與NEC合作多年,在電池技術(shù)方面積累很深厚,在品質(zhì)控制方面有相當(dāng)?shù)墓α?。LEAF的電池來自AESC日產(chǎn)與NEC的合資公司。


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


有關(guān)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)LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(tǒng)(其實(shí)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:

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IP67防水,充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

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(shí)單體電池內(nèi)部的溫差也不會太大。但是,6000多個單體電池的溫差也應(yīng)當(dāng)保持在不超過5C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?Tesla的電池管理系統(tǒng)(BMS)相比其他電動汽車有什么優(yōu)勢?


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(shí)帶走的熱量也幾乎相同,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)雜度是大大新增了的。也就是說,假如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。


有關(guān)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電池要高于層疊式鋰離子電池。日產(chǎn)LEAF所用的33Ah鋰離子電池的能量密度是157Wh/kg,GMVolt所用的層疊式電池的能量密度約為150Wh/kg;而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211Wh/kg。但是,18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜,由此額外新增的重量會使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450kg,能量密度是118Wh/kg,而LEAF電池組的重量是225kg,能量密度是107Wh/kg。在電池組層次,兩者的能量密度已經(jīng)不相上下。


有關(guān)安全性


前面提到層疊式鋰離子電池的各種優(yōu)點(diǎn),但它也有一些缺點(diǎn)。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(jī)械強(qiáng)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)致安全事故出現(xiàn)。這也就解釋了為何日產(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。假如一個單體電池出現(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(yán)重程度將是較低的。


有關(guān)成本


18650鋰離子電池具有容量大、壽命長、安全性能高等特點(diǎn),又因?yàn)轶w積小,重量輕,使用方便,深受消費(fèi)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(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。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),遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行生產(chǎn)。在消費(fèi)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)動力鋰電池。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(dá)到一個量級之后,成本會大大降低。一輛新能源汽車就要成千上萬節(jié)18650電池,因此單體的采購成本可控。


特斯拉電池板拆解:7000多節(jié)18650電池密密麻麻


電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)拆解


電池板內(nèi)除了電池組外,最多都是冷卻液管路。每組電池都要通入一定量的冷卻液。雖然冷卻液并沒有泵驅(qū)動主動流動,但整個電池板所有管路都是相通的,冷卻液可熱脹冷縮進(jìn)行一定范圍流動。


冷卻液呈綠色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。冷卻液配合著鋁管使用重要是為了保持電池溫度的均衡,防止電池局部溫度過高導(dǎo)致電池性能下降。特斯拉的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可將電池組之間的溫度控制在2℃??刂坪秒姵匕宓臏囟瓤裳娱L電池的使用壽命。


特斯拉或用新20700電池取代18650電池


特斯拉計(jì)劃采用20700高性能鈷酸鋰離子電池,替換目前的松下18650鈷酸鋰離子電池,以提高M(jìn)ODEL3新車的性能。


特斯拉正在研發(fā)MODEL3車型,預(yù)計(jì)該車售價(jià)將接近當(dāng)前主力車型MODELS的一半,大約在3.5萬美元左右,續(xù)航里程約200英里(320公里)。特斯拉公司CEO埃隆馬斯克稱,MODEL3將同寶馬3系競爭。由于電池重量較大,為了更好的和對手競爭,特斯拉決定研發(fā)新的電池技術(shù),為電池系統(tǒng)減肥,從而減輕新車重量。


目前,特斯拉重要采用松下供應(yīng)的18650鈷酸鋰離子電池,整個電池組包含數(shù)千塊獨(dú)立電池單元;該電池成本約為250美元/千瓦時(shí),能夠供應(yīng)233瓦時(shí)/千克的能量密度。未來特斯拉計(jì)劃推出新的20700鈷酸鋰離子電池,該電池體積雖然更大(注:鋰離子電池含義法則如18650型,即指電池的直徑為18mm,長度為65mm,0代表其是圓柱體型的電池。20700應(yīng)代表直徑為20mm,長度為70mm,圓柱形的電池),但在改進(jìn)了化學(xué)成分(電解質(zhì)和電極)之后提升了能量密度。


因而在達(dá)到相同的功率要求時(shí),所要的電池模塊數(shù)量減少,整個電池組重量將降低。根據(jù)特斯拉的資料,一旦電池能量密度達(dá)到333瓦時(shí)/千克,特斯拉MODEL3的整車重量將同寶馬3系相當(dāng)。


可以說,采用18650電池作為新能源電動汽車的動力之源,在現(xiàn)階段是最優(yōu)的選擇。隨著電池技術(shù)工藝的成熟,同時(shí)也會出現(xiàn)更多新型的電池應(yīng)用在新能源電動汽車上。


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