導(dǎo)讀：中國(guó)以綜合性更強(qiáng)的方形電池為主導(dǎo)、軟包和圓柱為輔，電芯總產(chǎn)能冠絕全球；美國(guó)車企則以圓柱和軟包為主，圓柱主要感謝特斯拉在美國(guó)有超過70%的市占率，而底特律汽車三大則堅(jiān)持能量密度更高的軟包；歐洲以軟包電芯為主導(dǎo)、方形次之，其中純電車型堅(jiān)持長(zhǎng)續(xù)航的軟包，德系車企對(duì)更符合車規(guī)級(jí)的方形則青睞有加。
全球鋰電芯的封裝形態(tài)變化是研究動(dòng)力電池發(fā)展史非常有意思的切入點(diǎn)。鋰電池行業(yè)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)30年的發(fā)展，全球封裝形態(tài)目前卻形成了各區(qū)域顯著不同的結(jié)果。
中國(guó)以綜合性更強(qiáng)的方形電池為主導(dǎo)、軟包和圓柱為輔，電芯總產(chǎn)能冠絕全球；美國(guó)車企則以圓柱和軟包為主，圓柱主要感謝特斯拉在美國(guó)有超過70%的市占率，而底特律汽車三大則堅(jiān)持能量密度更高的軟包；歐洲以軟包電芯為主導(dǎo)、方形次之，其中純電車型堅(jiān)持長(zhǎng)續(xù)航的軟包，德系車企對(duì)更符合車規(guī)級(jí)的方形則青睞有加。
有沒有想過，為什么是這樣？為什么全球不同國(guó)家選擇了不同的電池封裝技術(shù)路線？
不同路線各有優(yōu)劣，如今技術(shù)格局復(fù)盤下來很大程度要?dú)w因于歷史原因——?dú)v史時(shí)間軸上三種封裝形態(tài)的成熟度與創(chuàng)新加速度有所差別，因此也影響了各區(qū)域主機(jī)廠和電池廠在不同歷史節(jié)點(diǎn)對(duì)電池技術(shù)路線的決策。接下來讓我們歸根溯源來看鋰電池封裝形態(tài)的發(fā)展歷史。
2021年全球主要區(qū)域電芯封裝形態(tài)分布
本文包含以下內(nèi)容，閱讀需要30分鐘。
圓柱電池開創(chuàng)者——索尼大法好
日本人內(nèi)卷——松下后來居上
美國(guó)特斯拉頂一把——吹過的牛逼都得實(shí)現(xiàn)
松下與特斯拉的蜜月期——廣場(chǎng)協(xié)議之后的活久見
軟包和方形電池的反擊——中韓登上舞臺(tái)
軟包電池快速占領(lǐng)全球市場(chǎng)三分之一
馬斯克口嫌體直，死磕圓柱電池做“大”對(duì)抗軟包
“寧王”攜方形電池強(qiáng)勢(shì)崛起
中國(guó)特色的動(dòng)力電池發(fā)展路線
天下三分，4680或?qū)黼姵匦袠I(yè)新變局
圓柱電池開創(chuàng)者，索尼大法好
圓柱鋰電池歷史最為悠久、其采用的卷繞工藝也最為成熟，帶來了又便宜又安全的優(yōu)勢(shì)。圓柱電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以比喻為一個(gè)驢打滾，千張卷盤踞在外殼之內(nèi)，類似滾同心圓的卷繞工藝相較疊片等其他工藝流程最為簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，加工成本低廉，電芯產(chǎn)品一致性高，且圓柱單體間的空隙帶來了極佳的散熱性，安全系數(shù)高。追溯圓柱電池應(yīng)用歷史，早在1973年，世界上第一款移動(dòng)手機(jī)、美國(guó)摩托羅拉的DynaTAC 8000X就采用了6節(jié)圓柱形態(tài)的鎳鎘電池，但由于材料體系受限、充電耗時(shí)10小時(shí)只能通話30分鐘，因此研究者一直在探索新一代的鋰離子電池。
搭載圓柱鎳鎘電池的世界第一款移動(dòng)手機(jī)——摩托羅拉DynaTAC 8000X
1980年牛津大學(xué)著名的“鋰電池之父”約翰·古德納夫（John Goodenough）及團(tuán)隊(duì)突破性發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰正極材料，這種鈷和鋰的金屬氧化物可以在4伏的電壓下支持半數(shù)的鋰離子脫出而不坍塌，是當(dāng)時(shí)性能遙遙領(lǐng)先的正極方案，但受限于負(fù)極采用鋰金屬的鋰枝晶和粉末化問題，鋰電池一直沒有大規(guī)模商業(yè)化。
直至1991年，索尼發(fā)布了人類歷史上第一個(gè)商用鋰離子電池，通過當(dāng)時(shí)已經(jīng)成熟且簡(jiǎn)潔的卷繞工藝形成了18650圓柱電芯，能量密度達(dá)到80Wh/kg，約為當(dāng)時(shí)鎳氫電池的2倍。這一發(fā)明背后起到?jīng)Q定性作用的是來自索尼的技術(shù)合作方旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino），他在1985年就開創(chuàng)性的使用石墨代替鋰金屬作為負(fù)極，搭配來自古德納夫的鈷酸鋰正極，根本上改善了鋰電池的循環(huán)壽命問題——圓柱鋼殼包裹鋰過渡金屬氧化物和石墨分別作為正負(fù)極材料的組合初具雛形，吉野彰也和古德納夫于2019年共同拿下諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
至于最后拍板直徑18mm、長(zhǎng)度65mm的圓柱電芯規(guī)格18650，則有一定偶然性，當(dāng)時(shí)這個(gè)電池最開始是為了索尼自家的手持?jǐn)z像機(jī)量身打造，如果做成5號(hào)電池（14500）則容量不夠；做成2號(hào)電池（26500）則尺寸又太大，所以18650就這樣被“妥協(xié)”出來了。隨后，索尼這款18650鈷酸鋰電池被迅速用到全球隨身聽、攝像機(jī)、相機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦等各類便攜設(shè)備中，1994年索尼成為最大筆記本生產(chǎn)商戴爾的電池供應(yīng)商。
早于1997年，索尼就與日產(chǎn)汽車進(jìn)行了車載鋰電池的合作，幫助日產(chǎn)制造出世界上第一輛使用圓柱鋰離子電池的純電車型Prairie Joy EV，續(xù)航可達(dá)200公里，最高時(shí)速120公里/小時(shí)，用于日本北極觀測(cè)科研任務(wù)。Prairie EV曾經(jīng)連續(xù)6年擔(dān)負(fù)日本國(guó)家北極考察隊(duì)從基地研究站到城鎮(zhèn)、機(jī)場(chǎng)的日常運(yùn)輸重任，且在沒有日產(chǎn)汽車提供技術(shù)支持或維護(hù)的情況下，未出現(xiàn)任何故障。但是由于高昂的BOM（Bill of Materials，物料清單）成本和充電基建投資強(qiáng)度，日產(chǎn)沒有信心把它投放到C端市場(chǎng)，僅僅限于車隊(duì)to B銷售，從1997年起向各個(gè)實(shí)體出售了大約30臺(tái)車。
可惜的是索尼隨后在戰(zhàn)略上否定了汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域，直至2016年才重新正式宣布進(jìn)入車用鋰電池領(lǐng)域，錯(cuò)過了動(dòng)力鋰電池跑馬圈地的時(shí)代。由于智能手機(jī)時(shí)代以圓柱為主的索尼逐步落后于以ATL（寧德新能源科技有限公司）為代表的中國(guó)3C軟包電池廠商，索尼鋰電池業(yè)務(wù)陷入虧損，最終2016年底索尼將電池業(yè)務(wù)僅以11億人民幣價(jià)格出售給了村田，可謂起了大早、趕了晚集。
搭載索尼圓柱電池的日產(chǎn)Prairie Joy EV 在北極
日本人內(nèi)卷，松下后來居上
索尼開創(chuàng)了圓柱電池，但真正將其在動(dòng)力電池領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大的則是他的老對(duì)手松下。松下緊隨索尼之后的1994年完成了對(duì)18650圓柱電池的開發(fā)，并且積極進(jìn)入動(dòng)力電池界。相比于索尼與日產(chǎn)對(duì)純電車型的堅(jiān)持，松下更具產(chǎn)業(yè)化角度的實(shí)用主義戰(zhàn)略眼光，選擇了過渡形態(tài)的油電混合動(dòng)力路線進(jìn)行彎道超車——與混動(dòng)鼻祖豐田公司結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴，1996年松下和豐田成立合資電池公司Primearth EV Energy (PEVE)。
隨后豐田于1997年推出了世界上第一個(gè)真正意義上大規(guī)模生產(chǎn)的混合動(dòng)力車款豐田普銳斯Prius Hybrid，混合油電雙引擎與行星齒輪系統(tǒng)后搭載了松下1.73kWh的圓柱鎳氫電池，鎳氫當(dāng)時(shí)較鋰離子電池更具穩(wěn)定性。Prius這款車平均油耗僅為3.6L/100km，大幅低于當(dāng)時(shí)油車新款8L/100km的油耗，油耗表現(xiàn)出眾，因此盡管外觀設(shè)計(jì)保守平庸、但仍在歐美市場(chǎng)獲得了不錯(cuò)的接受度，最終Prius一代全球銷量突破了12萬(wàn)輛。但由于Prius一代近17000美金的定價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法覆蓋其約32000美金的BOM成本，這款一代車最終于2003年停產(chǎn)。
搭載1.7kWh容量松下18650圓柱鎳氫電池的豐田一代Prius Hybrid
美中不足的是混動(dòng)車型Prius一代良好的出貨量并沒有幫助松下站穩(wěn)動(dòng)力電池龍頭地位，一是因?yàn)榛靹?dòng)車型畢竟電池包帶電量較低、單車不足2度電，12萬(wàn)臺(tái)累計(jì)出貨也僅有200MWh；二是因?yàn)榛靹?dòng)產(chǎn)品多繼承自油車平臺(tái)，要求電池包能靈活設(shè)計(jì)來更好的匹配“油改電”后受限的車身空間，但圓柱電芯相對(duì)固定的尺寸標(biāo)準(zhǔn)和矩陣式排列方式難以滿足對(duì)電池包規(guī)格和體積進(jìn)行定制開發(fā)的要求，這也為后來軟包和方形電芯的崛起埋下了伏筆。
期間松下也在努力嘗試聯(lián)同豐田積極推出純電車型，1997年同年松下圓柱鎳氫電芯也裝機(jī)了豐田純電SUV車型RAV4 EV，電池容量為27kWh，滿電的續(xù)航里程可達(dá)190km。但這款純電車型與日產(chǎn)當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)的情形類似，市場(chǎng)反響較差，僅售出1484輛、且其中只有328輛賣給了C端消費(fèi)者，大頭只能被租賃公司吃下。直到2003年RAV4 EV純電車型停產(chǎn)，豐田重新把戰(zhàn)略聚焦回混合動(dòng)力車型上。但在松下角度如何進(jìn)一步推動(dòng)車載電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長(zhǎng)仍舊是一個(gè)難題。
所幸松下在2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)期間發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)整合機(jī)會(huì)，最終斥資46億美金對(duì)日本同行三洋電機(jī)進(jìn)行了控股權(quán)收購(gòu)。三洋電機(jī)自1995年研發(fā)鋁殼方形電芯后也兼具了18650圓柱電芯技術(shù)，當(dāng)時(shí)位居鋰電池份額世界第一，并且方形電芯相較圓柱電芯擁有高成組效率和空間靈活性、更適合對(duì)空間利用率要求高的混動(dòng)車型，這也幫助三洋成功從松下手里拿下了豐田普銳斯二代新車型。松下也憑借這項(xiàng)收購(gòu)成為了全球最大鋰電池供應(yīng)商、也重新?lián)尰亓素S田的訂單。但命運(yùn)的齒輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這筆交易背后還藏著個(gè)更大的禮物——三洋電機(jī)正是特斯拉最初選定的鋰電池供應(yīng)商。
搭載了53kWh容量松下18650圓柱鈷酸鋰電池的Tesla Roadster一代
美國(guó)特斯拉頂一把，吹過的牛X都要實(shí)現(xiàn)
特斯拉及其創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)與圓柱電池的結(jié)緣由來已久。
2003年，特斯拉最早的創(chuàng)始人硅谷企業(yè)家馬丁·埃伯哈德接觸到了從通用EV-1鉛酸電動(dòng)車項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)出來的湯姆蓋奇和他的AC Propulsion公司，當(dāng)時(shí)他的第一款鉛酸原型車T-zero已經(jīng)可以做到百公里加速4.9秒、但續(xù)航只有130公里。于是以埃伯哈德以15萬(wàn)美金注資為交換來委托AC Propulsion進(jìn)行鋰離子電池版本車型的開發(fā)并開放給他技術(shù)授權(quán)。開發(fā)重點(diǎn)是研究如何使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成18650圓柱鋰電池，做過電子閱讀器創(chuàng)業(yè)的埃伯哈德當(dāng)時(shí)已經(jīng)體會(huì)到18650是當(dāng)時(shí)條件下品質(zhì)最好、價(jià)格最便宜的電池，但難點(diǎn)是做到純電長(zhǎng)續(xù)航需要在電池組中使用成千上萬(wàn)個(gè)這樣的小圓柱電池，電池容量相當(dāng)于之前日產(chǎn)、豐田純電車型的一倍以上。
馬丁·埃伯哈德做完調(diào)研工作后，于2003年7月成立了特斯拉公司。同年9月AC Propulsion在委托下完成了T-zero鋰電版原型車的開發(fā)，搭載了數(shù)千塊筆記本電腦上的18650電池，性能上百公里加速達(dá)到了3.6秒、同時(shí)續(xù)航大幅增加到了480公里，驗(yàn)證了大量小圓柱電池用于長(zhǎng)續(xù)航純電車的可行性。
硅谷早期明星電動(dòng)車T-zero，最早驗(yàn)證了數(shù)千塊18650電池用于長(zhǎng)續(xù)航純電車的可行性
隨后就是大家都知道的，特斯拉公司在2004年3月經(jīng)AC Propulsion介紹、獲得了馬斯克640萬(wàn)美金的注資，馬斯克也拉入了他投資的另一家計(jì)劃用鋰離子電池制造電動(dòng)車的創(chuàng)始人JB.施特勞貝爾加入特斯拉作為聯(lián)創(chuàng)與CTO。值得一提的是電池專家施特勞貝爾從大學(xué)期間就在嘗試打造電動(dòng)車、也同樣對(duì)大量串聯(lián)上萬(wàn)塊鋰電池裝車有著構(gòu)想，情投意合的特斯拉創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)就此組建起來。
來源：電池網(wǎng) 清流資本 作者：陶凱 茆雨豪
