一、方形、圓柱、軟包三大電芯封裝技術(shù)方向行業(yè)總覽

1、三大電芯封裝技術(shù)的發(fā)展歷程

從目前單體電芯的技術(shù)分類來(lái)看，主要包括圓柱、軟包以及方形電池。其中，圓柱的優(yōu)勢(shì)在于較高的生產(chǎn)效率/較低生產(chǎn)成本（vs.軟包較高的單體電芯能量密度與安全性，方形較長(zhǎng)的使用周期），而圓柱的劣勢(shì)則主要包括相對(duì)較低的單體電芯能量密度與安全性（vs. 軟包與方形較低的生產(chǎn)效率/較高生產(chǎn)成本，方形相對(duì)較低的單體電芯能量密度與安全性）。

2、三大電芯封裝技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)比較

方形電池：封裝可靠度高、系統(tǒng)能量效率高、能量密度較高、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、擴(kuò)容相對(duì)方便、可以通過(guò)提高單體容量來(lái)提高能量密度、穩(wěn)定性相對(duì)好。但由于方形電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，所以市場(chǎng)上型號(hào)太多，工藝很難統(tǒng)一；且生產(chǎn)自動(dòng)化水平不高、單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠(yuǎn)低于單體壽命的問(wèn)題。

圓形電池：與方形都屬于硬殼封裝，圓柱型電池工藝成熟，PACK 成本較低，電池產(chǎn)品良率以及電池組的一致性較高;由于電池組散熱面積大，其散熱性能優(yōu)于方型電池，但后期依然要面對(duì)成組后散熱設(shè)計(jì)難度大、能量密度低等問(wèn)題。

軟包型電池：采用鋁塑膜包裝、安全性好、重量較鋼殼和鋁殼電池輕、具有較高的質(zhì)量比能量、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命更長(zhǎng)，但是由于型號(hào)眾多自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、成本高、高端鋁塑膜嚴(yán)重依賴進(jìn)口、一致性較差。

3、三大封裝形式的電池市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

預(yù)計(jì)未來(lái)方形電池為封裝形式主流。根據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù)顯示，2020年，軟包、圓柱、方形三類封裝形式的市場(chǎng)分別為：9.50%、9.70%、80.80%；預(yù)計(jì) 2025年，軟包、圓柱、方形三類封裝形式占比將分別達(dá)到：15.0%、25.0%、60.0%。我們預(yù)計(jì)2025年軟包、圓柱、方形電池三者全球出貨量將分別達(dá)到：180GWh、300GWh、718GWh.

二、方形、圓柱、軟包三大封裝方式產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力

1、方形電池

方形電池：性能適應(yīng)市場(chǎng)需求，安全性較高適合搭載于中高端車(chē)型

方形電池在性能方面更加適合市場(chǎng)需求。方形電池具有內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長(zhǎng)、封裝可靠度高、耐受性好、成組相對(duì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)能量相對(duì)高等優(yōu)勢(shì)，憑借這些優(yōu)勢(shì)，方形電池在目前階段更加能適應(yīng)市場(chǎng)需求。但其也具備一些劣勢(shì)包括：型號(hào)多，工藝難統(tǒng)一，生產(chǎn)自動(dòng)化水平不高，單體差異大等。

方形電池的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，鋁殼體為主流。不像圓柱電池采用強(qiáng)度較高的鍍鎳鋼作為殼體，因此整體附件重量要輕，相對(duì)能量密度較高。

方形電池安全性高，適合中高端車(chē)型。方形鋰離子電池由于安全性高，能夠通用于乘用車(chē)和商用車(chē)，無(wú)論純電動(dòng)還是混合電動(dòng)。主機(jī)廠在中高端車(chē)型上也更傾向于采用方形電池。

方形電池結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。鋁殼體為主流，典型的方形鋰電池主要包括：頂蓋，殼體，正極板、負(fù)極板、隔膜、絕緣件和安全組件等。

寧德 CTP 和比亞迪“刀片”各有千秋。比亞迪刀片電池把單個(gè)電芯寬度無(wú)限拉長(zhǎng)，厚度做薄，然后直接把電芯放在整個(gè) PACK 里面進(jìn)行安裝，盡可能簡(jiǎn)化模組。寧德時(shí)代 CTP 在模組和模組間采用一種套筒的連接方式緊貼在一起，同時(shí)套筒下游固定裝置和整車(chē)相連，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。寧德 CTP 功率密度更高，成組效率更高，對(duì)大多數(shù)整車(chē)廠成本控制更為友善；而比亞迪“刀片”電池在空間利用率上表現(xiàn)更好，結(jié)構(gòu)靈活性和耐久性上更具有價(jià)值和想象空間。

方形電池市場(chǎng)占比逐步爬升，占據(jù)絕大部分市場(chǎng)。方形電池市場(chǎng)占比從2018年的74%提升到了2021年的87%。

2、圓柱電池

圓柱電池：能量密度、成組效率低但一致性、安全性較好

圓柱電池能量密度相對(duì)較低。目前圓柱關(guān)鍵以磷酸鐵鋰電池為主導(dǎo)，其容量高、輸出電壓高、優(yōu)異的充放電循環(huán)安全性能、輸出電壓比較穩(wěn)定、能大電流量放電、操作安全穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

圓柱電池封裝的優(yōu)勢(shì)有：其生產(chǎn)工藝成熟；單個(gè)一致性較好；電池包成本低，使用范圍廣；耐高溫，不易爆炸，安全性較好；內(nèi)阻小，不易自耗電，有望替代鎳氫電池的企業(yè)產(chǎn)品。其劣勢(shì)包括：整體重量重；空間利用率低；成組效率低；能量密度低；徑向?qū)岵睿粏挝蝗萘枯^??；電池管理復(fù)雜度較大。

圓形電池結(jié)構(gòu)與方殼類似，PTC 熱敏電阻為獨(dú)有。常規(guī)的圓柱電池除形狀外，結(jié)構(gòu)與方殼電池類似。典型的圓柱電池結(jié)構(gòu)包括外殼、蓋帽、正極、負(fù)極、隔膜、電解液、PTC 元件、墊圈和安全閥等。一般電池外殼為電池的負(fù)極，蓋帽為電池的正極。

4680為最新突破：全極耳設(shè)計(jì)主要為了過(guò)流和熱擴(kuò)散。極耳的主要作用是作為極片與極柱的導(dǎo)電通路，決定了電池內(nèi)阻和電池發(fā)熱量。與立式極耳相比，全極耳設(shè)計(jì)把導(dǎo)電通路從局部小塊，變成了整個(gè)平面的線形焊接，使發(fā)熱量減少同時(shí)強(qiáng)化了快充性能。性能突破。4680 大幅提升了電池功率（6 倍于 2170 電池），降低了電池成本（14%于 2170 電池），優(yōu)化了散熱性能、生產(chǎn)效率、充電速度、能量密度、循環(huán)性能等。

2021年，全球圓柱鋰離子電池出貨量達(dá)到121.7億顆，同比增長(zhǎng)21.0%。2021年全球圓柱鋰離子電池出貨量增長(zhǎng)較快的細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域主要包括新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能和電動(dòng)工具等，而電動(dòng)兩輪車(chē)用圓柱鋰離子電池則因?yàn)楣蚕黼妱?dòng)車(chē)需求大幅度減少以及部分圓柱電池被方形和軟包替代，其出貨量在2021年出現(xiàn)較大幅度的同比下滑。

2021-2025年，全球圓柱鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)98.1億美元，期間市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.79%。

3、軟包電池

軟包電池：性能優(yōu)異，但成本高可靠性挑戰(zhàn)大

軟包電池電容量和能量密度均較高。軟包電池容量大都在 30Ah-70Ah，其能量密度大多在220V-300V，并且能量密度上最大的優(yōu)勢(shì)就是輕，即便是運(yùn)用了相同的電芯，三元軟包電池的能量密度也會(huì)比鋼殼三元鋰電池高出 40%。

軟包電池優(yōu)勢(shì)還包括：其安全性能好；重量輕，比能量高；內(nèi)阻小，從而降低電池的自耗；電池容量大，充放電倍率高；外觀設(shè)計(jì)靈活。其劣勢(shì)包括：成本較高，國(guó)內(nèi)多為進(jìn)口；一致性差，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，生產(chǎn)效率低；成組效率低；容易漏液；殼體機(jī)械強(qiáng)度低。

軟包電池結(jié)構(gòu)：外殼為鋁塑膜且無(wú)頂蓋，軟包電池的基本結(jié)構(gòu)與圓柱和方形類似，包括正極、負(fù)極、隔膜、絕緣材料、正負(fù)極極耳和殼體，但軟包電池的殼體是鋁塑膜，且沒(méi)有頂蓋。加壓工藝是軟包電池成型工藝中獨(dú)特環(huán)節(jié)。鋁塑膜封裝結(jié)構(gòu)決定了極片不能緊密排列，極片之間容易出現(xiàn)空隙，從而影響電池性能，所以在化成兩次充電之間采用滾壓工藝將極片之間的氣體排除。

軟包電池由 AESC 開(kāi)創(chuàng)，由 LG 化學(xué)發(fā)揚(yáng)光大。2007 年，動(dòng)力電池公司 AESC（日產(chǎn)與 NEC 合資公司）將用于手機(jī)產(chǎn)品的軟包電池做到了車(chē)規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。2010 年后，搭載 AESC 軟包電池的純電動(dòng)車(chē)日產(chǎn)聆風(fēng)廣受歡迎。2009 年，LG 化學(xué)與現(xiàn)代共同推出首款現(xiàn)代 Avante 以及 Forte 電動(dòng)車(chē)，正式邁入汽車(chē)電動(dòng)化時(shí)代。2009-2015 年，LG 化學(xué)動(dòng)力電池客戶先后囊括通用、福特、科勒萊斯美國(guó)三大主流車(chē)企，順利拿下雷諾、沃爾沃、奧迪、戴姆勒等歐洲客戶，并通過(guò)雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟逐漸進(jìn)入日系車(chē)供應(yīng)鏈。

三、方形、圓柱、軟包三大類電池總結(jié)

圓柱電池：優(yōu)點(diǎn)是一致性好、生產(chǎn)效率高、單體成本低，但能量密度較低，模組需要電芯較多，成組后成本優(yōu)勢(shì)削弱，壽命較差，電池管理復(fù)雜度大;

方形電池：是國(guó)內(nèi)的主流封裝形式，能量密度優(yōu)于圓柱，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電芯保護(hù)強(qiáng)、成組效率高，不足是大電池對(duì)制造工藝挑戰(zhàn)大;

軟包電池：外形設(shè)計(jì)靈活，單體的能量密度較高，封裝工藝長(zhǎng)期可靠性有挑戰(zhàn)、鋁塑膜加工和使用成本高。

單體性能上，1）能量密度：軟包>方形>圓柱，主要考慮機(jī)械件重量在質(zhì)量中的占比，隨電池尺寸變大，差異變?。?）散熱能力：軟包、方形>圓柱；圓柱電池的散熱能力在系統(tǒng)層級(jí)，因?yàn)殡姵亻g隙更大得到改善；3）循環(huán)壽命：軟包>方形>圓柱，圓柱的電解液量相對(duì)少；4）安全性：圓柱>軟包>方形；此時(shí)大圓柱需要使用鍍鎳鋼，此處安全是個(gè)相對(duì)概念。安全閾值的絕對(duì)值在電池?zé)崾Э氐姆逯的芰肯拢町惒幻黠@；5）充放電倍率：圓柱>方形>軟包；6）成本優(yōu)勢(shì)：圓柱>方形>軟包。

系統(tǒng)性能上，1）成組效率：圓柱、方形>軟包，圓柱、方形、軟包模組/系統(tǒng)成組效率分別為 87%/65%、89%/70%、85%/60%；2）可靠性:方形>圓柱>軟包；軟包封口邊漏液是主要的市場(chǎng)失效表現(xiàn)；3）生產(chǎn)效率：圓柱>方形>軟包；4）一致性：圓柱>方形>軟包；5）成本優(yōu)勢(shì)：模塊、電池包成組后圓柱成本優(yōu)勢(shì)逐漸削弱。

在能量密度方面，軟包電池具有優(yōu)勢(shì)。該維度上國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的軟包電池有寧德時(shí)代、孚能科技等，圓柱電池有力神、比克等，方形電池有寧德時(shí)代、億緯鋰能等。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品在能量密度的差距上，圓柱、軟包電池較大，方形電池基本沒(méi)有差距，該維度上國(guó)外第一梯隊(duì)多為日韓企業(yè)，如 LG 化學(xué)、三星 SDI、松下、遠(yuǎn)景動(dòng)力等。

在循環(huán)壽命上，方形、軟包電池遠(yuǎn)優(yōu)于圓柱電池。圓柱電池的壽命可靠性較低與內(nèi)阻較大、散熱能力較弱有關(guān)。圓柱卷繞式電池在使用過(guò)程中的一種老化失效形式是卷繞極片發(fā)生翹曲，翹曲發(fā)生的來(lái)源可能是電極各層在循環(huán)中的體積變化步調(diào)不一致。下圖存儲(chǔ)、低倍率循環(huán)、高倍率循環(huán)后的電極形態(tài)對(duì)比中可以明顯看到高倍率下的翹曲現(xiàn)象。在卷繞中心處加銷軸能一定程度上抑制卷芯的形變，但銷軸的引入會(huì)增加成本、重量等。

編輯：黃飛

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