18650圆柱电池设计要点分析二

这一期我们继续讨论圆柱电池的设计要点。

这里先讨论一个小插曲：随着国家补贴的滑坡（据说2019年补贴退补40%），和三元材料价格的上涨，有些厂家竟然开始打磷酸铁锂电池的主意，计划以后在乘用车上采用磷酸铁锂电池代替现在的三元电池。理由很简单，认为磷酸铁锂价格会越来越低，且能量密度也越来越大，可气有些无耻的企业宣称计划2019年单颗电芯能量密度达到200Wh/kg，还有就是觉得磷酸铁锂安全性好、循环寿命长等等。

我们来分析一下是否可行。

1、技术情况：目前磷酸铁锂电池量产最高能量密度为150-160Wh/kg，且成组后能量密度很难超过140Wh/kg，最多在120-140Wh/kg。该能量密度下性能比较优异，如果超过该范围就会损失部分电化学性能，如循环性能、低温性能等。如万向A123的 67Ah电池大概为158Wh/kg，基本已经到头了。国内厂家基本采用铝壳卷绕和软包叠片工艺。

2、价格：和目前主流的三元能量型电池相比较，价格根本没有优势。磷酸铁锂电池每瓦时要贵10%-30%，就算磷酸铁锂继续降，降到3万/吨，价格也才基本持平。

3、瓶颈；低温性能差、批次一致性差、无法快充。这些由材料特性决定的，无法改变。在冬天温度低于0℃，汽车只有不足80%的能量；电芯单体可以循环2000次以上，但成组后往往却只有几百次；橄榄石结构，一维锂离子通道，无法快充。

结论及建议：

1、未来两年内磷酸铁锂电池不会成为主流，即使补贴消失；主要是因为价格无优势，瓶颈难以接受；不建议主动进行磷酸铁锂电池布局，除非三元材料疯涨，磷酸铁锂价格优势凸显，但近期基本不可能。

2、未来新能源汽车方向还是高能量密度，高安全性不会错。811、NCA、固体电池要足够重视。

好了，言归正传继续讨论我们设计工艺的问题：

六、面密度和压实密度：

毋庸置疑，面密度和压实密度越大，电池可设计容量也就越大。但电化学性能也就越差。打比方说，16年超威对外宣称成功研发了18650 4.0Ah的电芯，并称完全可以达到中试水平等等，但可笑的是丝毫没有提电化学性能如何，也慢慢没了后续，成为了行业笑柄。透露一下，这款电池是硬塞活性材料，面密度高的吓人，充放电电流只有0.15C，下限电压2.5V的情况下刚刚能到3.9Ah左右，0.5C基本只能放出不足3Ah容量，且只能循环几十次。

面密度太大，一个是电解液浸润有问题，还有就是电子传输距离增加，我们正极材料本身就是半导体，电导率低，加大传输距离更加会加剧电池的极化，无法快速充放电。

压实密度太大，同样电解液通道减少，颗粒之间接触太紧密到时锂离子在固相中传输距离加长，甚至成为死锂。

当然如果材料形貌、粒径等比较完美，我们面密度和压实密度自然可以高一些。具体如何设计要看具体要求，不能异想天开，不尊重事实。

七、化成温度和电流：

化成的目的有两个：1、通过首次充电使正负极变成有电化学活性的物质；意思就是首次充电氧化掉内部杂质和水分，还有就是部分材料的晶型转变等，这一点对圆柱解释意义不大，对软包、铝壳意义不小。因为软包、铝壳有Degas和补液工艺，圆柱密闭结构，没有。

2.在负极表面形成一层SEI膜，后续保护负极嵌锂碳化物不和电解液直接接触。这个原因最重要，如果不在首次充电小电流形成优异稳定的SEI膜，后续大电流充放电就会有各种问题。SEI膜图片如下：

具体形成SEI膜的反应过程，化学方程式就不在这里讲了，篇幅有限。

这里送给大家一个万能的化成步骤，适用于任何体系和规格的电池：

0.05C   2h       0.1C   2h       0.2C   3h

当然还是那句话，如果想得到最好的电化学性能，具体情况具体分析。小电流形成的SEI膜比较致密、厚实，后续循环高温性能会很好，但是倍率低温就差；大电流SEI膜比较稀疏，后续倍率低温会较好，但高温循环就差。你可以想象一下，冬天下雪，雪花落到地上的过程就类似于SEI膜形成的过程。

还有低温化成和高温化成，原理很简单，暂不赘述，想了解的朋友可以留言。

八、存储：

这里说的存储是电池制作完成后，长时间未出货使用的存储状态。最佳的存储状态会最小程度损耗有效的能量。

根据电化学知识分析和实验得出以下结论：

1、SOC越高最终不可逆容量损失越大；2、温度越高最终不可逆容量损失越大。

道理很简单，满电态和高温度负极活性较高，和电解液反应更加剧烈，自然会损失有效的活性锂。所以理论上讲SOC越低越好。但同样具体问题具体分析，要看需要存储时间、客户要求等。