扁矮胖长，车用动力电池奇形怪状演进史

圆的，方的，扁的，长的，车用动力电池形状差异巨大。

尺寸的种类更加繁多。仅2017年，中国国家推荐标准中的《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》就多达145种。

与之相对应的是，欧洲的VDA标准，2012年左右出台的标准尺寸为10种，其中方形电池5种、圆柱1种、软包电池4种。

这么多电池规格，多年来各自发展，到现在，仍然还纷繁复杂。

不过，熙熙攘攘之间，仍然可见流向。

随着电池产业和汽车产业的合作加深，对于车用动力电池场景、需求的把握，以及高标准电池制造工艺的引入，动力电池在形态上，出现了几个明显趋势：

·电芯变大：比如圆柱从18650，到21700，再到4680演进；方形电池要么走向长薄条（比亚迪的刀片和蜂巢的短刀），要么走向又厚又长的方块；软包从适用VDA模组，到MEB的590模组……

·结构变强：像特斯拉的4680，以及比亚迪、宁德时代、蜂巢的电芯或者采用CTP，甚至考虑CTC，电芯成为整车的结构件。

·能量密度和成本、安全拉锯：随着续航里程的提升，车企不再一味追求能量密度，而试图在成本和安全性上均衡考虑。

为什么有这些趋势？电芯会一直变大吗？

《电动汽车观察家》特地访谈了业内十余位专家和企业相关负责人，试图还原出动力电池单体规格的演进历程，并尝试总结其中规律，帮我们预判未来电池规格进化方向。

注： 本文中尺寸单位皆为mm。

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圆柱：消费类电池的直接应用

电动汽车其实比燃油车更早被发明出来，但是，由于内燃机的高速发展，电池驱动的车辆被抛在了历史车轮之后。

不过，车企从未放弃电动汽车。上世纪90年代，标致、通用、日产等企业还在不断尝试用电池驱动汽车。（具体内容参见“车用动力电池简史”，配合食用更佳。）

到了21世纪，初步竞争有了结果。能够量产，并有一定影响力的只有日产和特斯拉。而日产和特斯拉，一开始都将圆柱电池作为首选形状。

日产的电动汽车大家会想到聆风。其实，更早的日产电动汽车叫Prairie Joy EV，也用圆柱电池，只是远没有特斯拉量产的Roadster名气大。

Roadster

就从特斯拉开始讲起。

（1）圆柱——特斯拉的首选

特斯拉首款车——电动超跑Roadster，在众多电池中，选中了稳定性和成本最优的18650电池。

1991年，日本索尼公司发明了18650电池。这是全球首个商用锂离子电池。为了节省成本，索尼将这种锂离子电池型号定为18650，其中18表示直径为18，65表示长度为65，0表示为圆柱形电池。

圆柱电芯是电池领域最为古老的形状，其工艺当时最成熟、成本也最低。

这一型号电池的诞生，或许是偶然，但是赶上3C、小家电产品市场的爆发，该型号的流行则成为了必然。

该型号一经面世，就被日韩各大电池企业竞相量产，成为消费电子领域最畅销的电池型号之一。

特斯拉的创始人之一马丁·艾伯哈德，是一个跑车爱好者，同时对于美国石油对中东的进口依赖以及对于全球气候变暖有着深刻的担忧。这最终促使他与马克·塔彭宁共同创立特斯拉。

两位创始人对电池并没有自研和生产的能力，唯一的选择就是去市场上选取合适的电池。经过神农尝百草般的试用，选中了18650圆柱电芯。

经过仔细对比，当时的特斯拉电池技术总监Kurt Kelty认为，松下的18650电池在能量密度、循环稳定，以及批次重复性上有绝对优势。

但是松下方面则认为，笔记本电脑根本无法应用在汽车领域，进而拒绝了特斯拉。

不死心的特斯拉将电芯拼成组，拿去给松下看。

松下方面虽然看到了可行性，但是仍然认为电池成组后，安全隐患很大，再次拒绝特斯拉。

直到特斯拉拿出了电池的冷却方案，松下才勉强答应，但同时约法三章：1．特斯拉不能对外宣称电池供货商是松下；2．出现问题概不负责。

2009年，松下押注的离子电视业务失败，损失了40亿美元。急于通过新业务将自身拉出泥潭的松下，坚定了与特斯拉的合作意愿。

从这番拉扯可以看出，松下方面，根本不认为消费类电池真能够用在车上。

好在特斯拉凭借强大的电池成组技术，基本做到安全和性能兼顾，从而一炮打响。

随着松下对特斯拉之间的合作越加深入，双方开始在电池设计层面和材料层面进行改进。

毫无疑问，从消费电池直接拿过用的18650，有太多改进空间。一个简单的逻辑就是将电池尺寸放大，减轻成组的复杂程度，提升能量密度，同时还要保证原有的良品率。

另外，材料方面，负极材料改用含硅的硅碳复合材料，以提升能量密度。

由此，21700电池便随之诞生，相比18650更“胖”了许多，个子也略高。

如果将18650比喻成“小学生”，21700进入到“中学生”阶段，体积、容量和能量密度都明显提升。

2016年一季度开始，美国内华达州建造超级工厂Gigafactory开始生产21700。

当时松下为Model 3独供这款电芯。特斯拉Model 3通过采用这款电芯，有效提高了能量密度和容量，减少了电芯数量和 PACK 附件，轻量化升级从而带动了整车成本和价格下降。

松下最先为特斯拉提供的18650电池受限于体积和关键组件，容量普遍在2．2－3．6Ah之间，而21700初代就能做到4．8Ah，并向着5—5．3Ah的容量发展。

相比于18650电池，21700提高了约20％能量密度，接近300Wh／kg。

而随着特斯拉逐渐做大，松下的产能和利润都没能跟上，积怨已深的双方，发生了龃龉。2019年，特斯拉和松下的口水战成为舆论关注的焦点。

此时的特斯拉意识到，仅依靠第三方供应商，或许很难跟上他们的速度和成本要求。出于对核心零部件的掌控和增加谈判筹码等方面的考虑，特斯拉自研电池的计划加紧推进。

没想到的是，特斯拉不仅坚决自研，而且很快扔出“王炸”级别的产品。

2020年9月，特斯拉在电池日上发布了4680圆柱电池，单颗电芯的容量相比21700提高5倍。

圆柱电芯再次变“胖”，个子还是只高了一点点。

4680

此时，圆柱电芯进入到“大学生”阶段，相比21700，4680的成本进一步降低，容量、功率等再次大幅提升。

成本方面，由于电池组所需电池数量减少，金属外壳占比减少，结构件和焊接数量也显著减少，成本随之下降，相比21700电池降低14％。

在性能方面，4680电池创新的采用了全极耳技术使电池电流通路变宽，内阻大幅减少，内部损耗随之降低，进而大幅提升了电池功率，6倍于21700电池。

2月19日，特斯拉通过官方社交平台宣布，今年1月份，其已生产出第100万块4680电池。

之前特斯拉CEO马斯克在电话会议上表示，4680电池将在2022年第一季度率先用于Model Y车型。

除了特斯拉，松下、LG等企业都在研发生产这一型号电池，以供应全球第一大电动车企。

（2）中国圆柱采用跟随战略

并不是只有特斯拉在尝试用圆柱电池来造电动汽车。

1998年，在特斯拉还没有成立时，中国的老牌电池企业——天津力神，已经建成30万支18650电池产能。不过此时的产能，针对的还是手机等3C产品。

在看到特斯拉应用18650成功后，中国企业也加快了18650的车用化。

2012年，力神的18650电芯率先实现装车销售，搭载在江淮的iEV2，只有100辆；2014年，开始搭载在康迪上；2015年又批量搭载江淮的iEV5上。

在同一时期，中国的比克电池也开始摸索将18650电池应用在车辆上。2010年，比克跟东风合作，供应电池为台湾花博会会务车辆提供动力驱动；同年，这款电池与北汽福田合作，成为北京市新能源出租车示范车型。

2014年，比克又将2．4Ah圆柱18650电池实现量产。

在中国大力推动新能源汽车背景下，看到商机的韩国电池企业纷纷进驻中国，2014年三星SDI在西安建厂，同样选择18650圆柱电池路线，次年开始向江淮汽车供应。

在特斯拉采用21700后，中国以力神电池为代表的企业也开始引入该型号。2017年，力神的21700率先量产，并搭载在一款纯电动物流车上。

在21700电池崛起的同时，以国轩高科为代表的企业也开发出32131、32135尺寸15Ah的磷酸铁锂圆柱电芯。目前国轩高科32mm直径产品，主要应用在北汽、江淮、奇瑞等小车上。

再后来，在特斯拉引领下，4680也引入中国，亿纬锂能、比克等企业都在追随这一路线，试图供应给特斯拉或者其他大圆柱路线的车企。

（3）圆柱电芯成组难度大

圆柱电芯运用最为出色的特斯拉，其第一款量产的Roadster的模组，也是丰田汽车帮助设计的。

但是丰田自身选择的方向却是方形电池，未选择应用圆柱电芯。由此可见，当时的小圆柱电芯并非车企首选。

在中国，也仅江淮汽车算是圆柱电池的最忠实的用户。

一位CATL的前工程师宋先生告诉《电动汽车观察家》，理论上圆柱电芯应该是成本最低的方案，但难在成组，特斯拉当时采用的是铝丝键合工艺，这种工艺在十多年前主要用于电子行业，当时国内并没有汽车零部件企业能做。

“当时企业的思路就是冲压一个铝排或铜牌，然后对应电芯的极柱点，把母排对应的点压下去与电芯激光焊接，但是这种设计很容易出现漏焊或脱落的情况。”宋先生说道。

宋先生回忆说，其实车企完全也可以让供应商想出办法来解决，例如用多层塑料框架将多个电芯头尾串联成一个长模组。但受制于当时的历史环境，绝大部分设计都没有充分利用当时有限的包内体积，导致圆柱电池的优势完全没有发挥出来。

宋先生认为，2015年前，中国的车企对汽车电气化和新能源汽车的反应也相对迟钝，没有正儿八经的去研究、改进。

在宋先生看来，当时车企高层将大部分精力放在了赚钱的合资车领域，对于新能源汽车这种政治任务主观能动性都不强。“在当时量少的情况下，供应商也很难配合，开模成本很高，早期完全不能摊销出去。”

“2012－2014年，新能源汽车没有放量，采用圆柱电池的电动汽车没有做起来，仅仅有北汽，江淮，奇瑞等车企做了一点点尝试性的采用圆柱电芯的样车。等到2016－2017年，电动汽车开始上量时，因为政策和电芯厂商等多种原因，电芯又被宁德时代和比亚迪垄断了市场。”宋先生说。

此外，宋先生认为，圆柱电池在中国电动汽车高速发展期也没发展起来，还有一个原因，即圆柱电池成组时，电池排布上会留下很多“死”空间，体积利用效率较低，不利于体积能量密度的提升。

即使现在，中国市场圆柱电池占比提升，也是由于特斯拉的应用拉动；随着特斯拉宁德时代磷酸铁锂方形电池的应用于特斯拉，圆柱电池的占比再次回落。