新能源前言技术之大圆柱电池！
圆柱电池的发展历程
趋势：圆柱电池逐步向大型化方向发展，预计46系成为动力电池主流。
从产品型号上看，从18650到21700电池再到即将实现量产的4680电池，圆柱电池逐步向着更大的尺寸方向发展。按照特斯拉的规划，4680电池相较于21700电池在性能上实现大幅提升——电芯容量提升5倍，功率提升6倍，电动汽车续航里程提升16%，逻辑在于：单体电池容量提升后，整体电池组pack的空间利用率和成组效率得到相应提升，从而带来电池组的能量密度提升以及成本的下降（千瓦时成本降低14%）。
46系电池兼具性能与经济性，是最优直径尺寸的大圆柱动力电池。在动力领域，圆柱电池尺寸增大虽然能够减少整车使用的电芯节数，降低BMS的管理难度，然而也会带来性能和安全方面的问题。据测算，电池容量每提升10%，其循环寿命大约会降低20%，充放电倍率会降低30-40%，同时电池会有20%左右的温升，如果持续增大电池尺寸，则会面临牺牲安全性所带来的风险。从直径46mm开始，整车的续航开始下降，同时降本的边际效益也逐步趋缓，因此从电池的整体性能和成本两方面看，46mm直径是当前生产工艺水平下的最优解。目前在特斯拉的主导下，相关车企、电池厂等均以46系大圆柱动力电池体系为主要研发对象。
单体电池采用单侧出正、负极结构，有利于电池系统层面的电气互连。传统圆柱电池的正、负极位于彼此相反侧，因此相应的电连接部件也需要应用于电池的上、下表面，造成电池组电连接结构的复杂化。4680电池采用无极耳设计，只有顶壳中间的极柱是正极，极柱以下的表面壳体均为负极，电池的正、负极位于相同方向，9个电芯并联为一组，每组电芯的正极汇总后连接到下一组电芯的负极。同时，相比于传统电池采用的铝丝焊接，4680电池的电芯和集流器采用激光焊接方式，消除了导线连接造成集流器失效的问题，减少了用于电连接的部件数量，降低了部件电阻，进而增加了电池的能量密度，利于电池尺寸的增加。
根据封装方式和形状不同，锂电池可以分为方形、软包、圆柱三种形态。方形电池单体容量大、结构简单、系统管理方便，但单体差异性较大、生产自动化水平较低，成组使用可能会存在电池组寿命远低于单体寿命的问题。软包电池体积小、能量密度高、散热性能优异，相同容量下，软包电池比钢壳电池或铝壳电池轻很多，然而其壳体强度比不上铝壳或钢壳，对成组技术的依赖性很强，技术难度高。圆柱电池一致性好、生产效率高，在系统层面散热能力强，尺寸升级后可改善其原本的单体能量密度低、模组所需电芯多及其导致的寿命差、管理复杂等问题。
4680电池单体正负极分布情况
单体性能上
1）能量密度：软包>方形>圆柱，主要考虑机械件重量在质量中的占比，随电池尺寸变大，差异变小；
2）散热能力：软包、方形>圆柱，圆柱电池的散热能力在系统层级，因为电池间隙更大得到改善；
3）循环寿命：软包>方形>圆柱，圆柱的电解液量相对少；
4）安全性：圆柱>软包>方形，此时大圆柱需要使用镀镍钢，此处安全是个相对概念，安全阈值的绝对值在电池热失控的峰值能量下，差异不明显；
5）充放电倍率：圆柱>方形>软包；
6）成本优势：圆柱>方形>软包。
4680电池组串并联拓扑结构示意图
大圆柱电池在电动汽车领域优势显著，有望成为中高端电动车的最优解。动力电池产业的发展与新能源汽车产业的发展相辅相成，动力电池的性能直接决定新能源汽车的性能。相较于方形、软包封装，大圆柱电池在动力电池领域优势明确，体现在：
1）安全性：大圆柱电池是目前几种主流电池形态中安全性最高的，因其应力均匀，散热性能好，电芯数量下降与无极耳设计等降低了电池的热管理难度，叠加泄压阀、集成结构件等技术增强了电池包的结构强度；
2）性价比：由于工艺简单、高度标准化、在整包层面结构件减少、成组简单等因素，大圆柱电池在整体成本上具备一定优势；
3）续航：大圆柱电池的高安全上限使得其可以支持高镍三元、硅基负极等更为激进、更高能量密度的化学体系，据特斯拉数据，相比21700电池，4680电池的单体电芯容量提高5倍，续航提高16%；
4）寿命：三元电芯虽然循环次数相对较少，但是因为高能量密度，能量吞吐量和日历寿命高，因此其在使用寿命上并不存在劣势；
5）快充：采用无极耳技术，缩短了电子电流在电池中的移动距离，从而大幅提高充电速度。
来源：锂电那些事
