锂电池三种主要的电芯封装形式

圆柱电芯历史最悠久，工艺最成熟，电芯一致性强，成本相对较低。索尼公司1991年的首款商用电池就采用了圆柱的形式，索尼还将这款电池型号命名为18650，其中18表示直径为18毫米，65表示长度为65毫米，0表示为圆柱形电池。18650一经问世就成为了行业标准，在消费电子领域得到了大规模的应用，至今经久不衰。

由于18650圆柱体积较小，单体三元圆柱电芯的容量也只有3Ah左右，电动车需要数量巨大的电芯成组，安全隐患的发生概率被成倍地放大。当时业界普遍认为18650电芯很难应用在动力电池领域，松下曾多次因安全性问题拒绝与特斯拉的合作。为了解决安全性问题，特斯拉发明了强大的电池管理系统，能够实现对7000个电芯的动态平衡和监测，同时也引入了液冷作为热管理系统，保证电芯差异控制在±2℃。2008年，特斯拉推出Roadster电动跑车，采用69个电芯并联为一个簇，9个簇串联为一模组，11个模组最后组成整个电池包，总计由6831个18650钴酸锂电芯组成，2014年上市的Model S车型电芯数量进一步提高到7104个。特斯拉成为圆柱电池在动力领域应用的先驱。

特斯拉Roadster电池包结构

为了进一步提高电池包的可靠性，一个简单的逻辑就是将电池尺寸放大以降低复杂度，于是圆柱电芯开始不断“变大” 。2017年，2170电池诞生，更大的体积使得电池单体容量提升35%，而直径扩大也使得密排空间利用率提高，系统能量密度提升约20%。

2020年9月，特斯拉在电池日上发布了4680大圆柱电芯，4680结构更加优化、性能优越、制造成本也更低，已经成为公认的圆柱发展方向。4680的单体容量相比2170提高5倍，电池包中电芯数量从4400个进一步下降到950个左右。另外4680的全极耳设计也大幅降低了电芯内阻，电池功率提高6倍。但目前4680的制造工艺存在较大的挑战，良率还在爬坡阶段。宁德时代、松下、LG等巨头都在努力攻克工艺问题，预计将在2023-2024年实现规模化量产。

特斯拉的圆柱电池演化，Source：特斯拉电池日

圆柱电芯不管怎么排布，圆柱电芯与电芯之间会留下缝隙，这些空间无法有效利用，因此圆柱电芯的成组效率有天然的劣势，相比之下方型电芯则可以很好地利用空间。方型电池最早由三洋电机推出，后来技术被松下收购。2012年欧洲推出VDA标准尺寸，规范了方型电池的规格，同时松下开始为大众、丰田和福特等整车厂提供方型动力电池。比亚迪作为中国动力电池的引领者一开始也选择了方型，2008年比亚迪的第一款新能源车F3DM正是采用了356×100×28mm的方型电池。宁德时代在起步之初也选择在方型电池上突破，2012年宁德时代创立后的第一个项目就是为华晨宝马的之诺1E提供方型电池。

方型卷绕电芯成组结构简单，系统能量密度更高，但是方型电芯体积增大，电芯卷绕对齐的难度显著增加，电芯的一致性成为最大的难题，设备自动化也更加困难。宁德时代、比亚迪等国产企业经过不懈努力，不断攻克技术难题，打磨出一套成熟的全自动化制造工艺，方型卷绕电芯的良率和一致性能够媲美圆柱，如今已经成为中国市场的绝对主流。除了宁德时代和比亚迪，行业第二梯队的中创新航、国轩高科、蜂巢能源等均以方型为主打，2021年方型动力电池占到国内出货量的87%。

宁德时代极限制造体系

方型电池的尺寸也经历了由小到大的过程。松下最早推出的方形电芯容量只有5Ah，电芯的长×高×厚分别为120×85×12.5mm。2012年VDA标准问世，VDA355标准模组的电芯尺寸增加至148×90×26mm。宁德时代在此基础上发展了1.5x厚、2x厚、3x厚电芯，最常见6系三元VDA 2x电芯容量可达106Ah。2020年大众推出全新的MEB标准，电芯尺寸进一步提高，8系三元MEB590 2x电芯容量达156Ah。2020年宁德时代又面向储能市场推出了280Ah大电芯，已经获得市场广泛认可，成为储能市场的标配。

方型卷绕工艺虽然最为成熟，随着设备和工艺进步，方形叠片也逐渐成为可行的工艺路径。理论上方型叠片工艺在一致性和能量密度上都更优，但叠片工艺的生产速度和良率均欠佳、设备投资金额大，因此叠片发展一直受限。在电芯品质升级需求的推动下，近几年叠片技术和设备飞速发展，已经符合量产导入的要求。比亚迪的刀片电池正是采用叠片工艺来提高能量密度，目前国内新兴玩家例如蜂巢、中航锂电等玩家也纷纷积极布局叠片技术，希望实现产品差异化。

叠片电芯内部结构更加均匀，但工艺难度大大提高

软包电芯一般采用叠片工艺，常用铝塑膜作为外壳，尺寸设计灵活，能量密度比圆柱、方形电芯都要高。LG化学的叠片技术全球领先，在软包电芯上拥有深厚的研发积累，从2009年就为现代起亚的混动汽车Forte LPI Hybrid提供软包电池。2011年的爆款车型日产Leaf也是采用了AESC的软包电池。软包电芯的外壳机械强度较弱，制造一致性差，电芯成组困难，更适合消费电子，尤其在手机上应用广泛，而在动力电池领域，需要成组技术的突破才能进一步打开应用场景。

动力电池包组成结构复杂：由电芯构成模组，由模组构成电池包，同时还配备结构件、电气系统、热管理系统、电池管理系统等形成总成。市场不断追求更高的续航里程，迫使电池工程师想法设法提高集成效率，其中最有效的方式就是无模组设计。模组会使用大量的连接件、压板等零部件，这导致模组到电池包系统的成组效率只有60-70%，但是早期电芯一致性和稳定性较差，必须通过模组进行管理和监控，而电芯制造工艺水平的进步使得无模组设计成为可能。

无模组CTP（Cell-to-Pack）的好处可以实现减少零部件成本、提高成组效率，无模组设计已经是动力电池系统设计的大趋势。比亚迪的刀片电池是无模组设计的典型代表，扁长化的电芯直接组成电池包，体积利用率大约60%，磷酸铁锂系统能量密度达140Wh/kg。比亚迪的刀片电池设计获得了巨大的商业成功，使得成本较低的磷酸铁锂电池也具备了普通三元电池相近的系统能量密度。比亚迪的刀片电芯长度至少在一米以上，也导致部分车型适配困难，长城旗下的蜂巢能源于2021年底发布了短刀电池，长度大约是比亚迪的一半，规格与MEB590模组相近，能够更好地适配不同的排布方式。

比亚迪刀片电池结构

宁德时代最早在2019年提出CTP方案，随后比亚迪的刀片电池和特斯拉的4680电池发布，宁德时代的 CTP电池技术指标已经处于下风。2022年，宁德时代推出全新的CTP3.0麒麟电池，将纵梁、水冷板、隔热片同时集成到弹性多功能夹层中，系统集成度大幅提高。散热夹层与电芯侧壁直接接触，散热面积是传统底部冷却的4x。麒麟电池的体积利用率提高到72%，超过了4680的63%，三元电芯的系统能量密度可达到255Wh/kg，磷酸铁锂也可达到160Wh/kg，也超过了比亚迪的刀片电池。这意味三元麒麟未来能够与4680大圆柱电池直接竞争，而铁锂麒麟则能与刀片电池抗衡。

宁德时代麒麟电池

不需要底层材料创新，无模组技术能够大幅提高系统能量密度，我们未来势必会看到更多CTP甚至CTC技术的应用，例如特斯拉已经开始在Model Y上测试4680 CTC（Cell-to-Chassis）电池包，将底盘与电池包进一步整合。但是更高的集成度也牺牲了维护的便捷性，例如麒麟电池和特斯拉4680 CTC均采用一体灌胶来固定电芯，导致电池包可维修性几乎为零。比亚迪刀片电池装车后连续不断的自燃事件也表明刀片的安全性还需要进一步改进。

3、面向多元化的终端场景

电池材料和结构的开发虽以高比能为主线，但满足其他性能需求也是实现产业化的必要条件。上文提到的下一代材料，无论是即将产业化的高镍三元和硅基负极，或是更加颠覆性的全固态电池和锂金属负极，制约其产业化的瓶颈不是能量密度，而是循环寿命、倍率特性、安全性能等方面的瓶颈。

能量密度、功率密度和循环寿命涉及不同的科学问题，材料性能也往往不可兼得

能量密度、功率密度和循环寿命三者往往不可兼得，从电池研发和设计角度需要充分考虑性能的平衡，针对不同应用场景做正向设计。中国汽车工程学会发布的动力电池路线图2.0也指出未来形成多元化的产品组合，包括能量型、功率型以及平衡型产品，以满足从低端到高端，从长寿命到快充等多元化的下游需求。

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