圓柱電池（cyclinder cell），順便科普一下其他電池的稱呼，業(yè)內(nèi)稱方形電池為prismatic cell，軟包電池夾具為pouch cell，相比很多人接觸圓柱電池這一概念，腦海里最多的就是小時(shí)候家里手電筒里使用的，亦或是遙控器里使用的圓柱電池探針組，而我們今天要說(shuō)的則是動(dòng)力鋰離子電池。哈，你腦海里肯定有冒出了18650圓柱電池，特斯拉搭載的松下圓柱電池，某某電動(dòng)汽車失火，某公司推出了300wh/kg的21700圓柱電池等......

常見(jiàn)的圓柱動(dòng)力鋰離子電池有三種，如下圖所示：

分別是三種規(guī)格，18650,、21700、32131,就拿18650電池來(lái)說(shuō)，18是他的底部圓的直徑18mm，650指的是電池的高65mm，21700和32131同理。前幾年，主流的是18650圓柱電池，主要結(jié)構(gòu)如下：

圓柱18560電池單體主要由正極，負(fù)極，隔膜，正極負(fù)極集電極，安全閥，過(guò)流保護(hù)裝置，絕緣件和殼體共同組成。殼體，早期鋼殼較多，當(dāng)前以鋁殼為主。單體過(guò)流保護(hù)裝置，每個(gè)廠家的設(shè)計(jì)并不相同，根據(jù)對(duì)安全性要求的不同，價(jià)格也不盡相同。一般的安全裝置主要有PTC正溫度系數(shù)電阻和熔斷裝置兩大類。PTC，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)大電流，電阻發(fā)熱，溫度積累促使PTC阻值的上升，當(dāng)溫度超過(guò)一個(gè)閾值以后，陡然增大，相當(dāng)于把故障電芯從總體回路中隔離開(kāi)來(lái)，避免進(jìn)一步熱失控的發(fā)生。熔斷裝置，原理上就是一個(gè)熔絲，遇到過(guò)大電流，熔絲熔斷，回路被斷開(kāi)。兩種保護(hù)裝置的區(qū)別在于前者可恢復(fù)，后者的保護(hù)是一次性的，一旦故障發(fā)生，需更換電芯。

18650圓柱電芯，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化，使得生產(chǎn)的自動(dòng)化水平在3種主要電芯形式中為最高。這就使得高度一致性成為可能，成品率相應(yīng)得到提高，日韓企業(yè)一般在98%以上，國(guó)內(nèi)也達(dá)到90%以上。

18650圓柱電池發(fā)展到今天，也存在著他的優(yōu)缺點(diǎn)。

18650圓柱電池探針優(yōu)點(diǎn)：
1）如前面所述，單體一致性較好；
2）單體自身力學(xué)性能好，與方形大電流探針和軟包電池夾具相比，封閉的圓柱體，近似尺寸下，可以獲得最高的彎曲強(qiáng)度；
3）技術(shù)成熟，成本低，但同時(shí)，成本優(yōu)化的空間也已經(jīng)消耗的差不多；
4）單體能量小，發(fā)生事故時(shí)，形式易于控制，但這一點(diǎn)也正在成為它被取代的理由。
18650圓柱電池缺點(diǎn)：
1）在電動(dòng)汽車這個(gè)語(yǔ)境中，電池系統(tǒng)的圓柱單體數(shù)量都很大，這就使得電池系統(tǒng)復(fù)雜度大增，無(wú)論機(jī)構(gòu)還是管理系統(tǒng)，相對(duì)于其他兩類電池，系統(tǒng)級(jí)別的成本圓柱電池偏高；
2）在溫度環(huán)境不均勻條件下，大量電芯特性異化的概率上升，當(dāng)然，特斯拉之所以在設(shè)計(jì)之初選擇18650，相信只是個(gè)無(wú)奈之選，因?yàn)?0年前，能夠大批量生產(chǎn)的合格動(dòng)力電池，只有圓柱電池。而電池的安全和熱管理需求，反而是它強(qiáng)大電控系統(tǒng)的研發(fā)動(dòng)力。
3）能量密度的上升空間已經(jīng)很小，2016年的新聞，超威把單體容量做到4050mAh，電芯比能量306Wh/kg，此后沒(méi)有看到更高的記錄。在既定空間內(nèi)，只有死磕材料，公認(rèn)是一條難走的路。

21700電池的這把火，則是由特斯拉 Model 3 全面啟用21700三元鋰電池開(kāi)始，開(kāi)啟了一個(gè)圓柱電池提升容量的新階段。特斯拉 Model 3的21700型電池系統(tǒng)，能量密度在300Wh/kg左右，比原來(lái)Model S使用的18650電池能量密度提升20%以上，單體容量提升35%，系統(tǒng)成本降低9%左右。

總結(jié)下來(lái)，尺寸從18650提高到21700，獲得好處如下：

1）適當(dāng)提高能量密度情況下，可以選擇常規(guī)材料，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高；

2）可以適當(dāng)進(jìn)行多極耳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低內(nèi)阻；

3）同樣能量密度下，可以選擇快充特性石墨，改善快充性能；

4）適當(dāng)增加直徑和高度可以獲得更多的有效體積。

5）單體電芯容量增大，輔助構(gòu)件比例降低，降低PACK成本。

目前國(guó)際上能夠批量生產(chǎn)21700電池的企業(yè)屈指可數(shù)，除了松下和特斯拉聯(lián)合研發(fā)的21700電池量產(chǎn)外，先前三星SDI也曾展示相關(guān)21700產(chǎn)品，據(jù)了解該產(chǎn)品還沒(méi)有進(jìn)行批量生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)21700廠家，資料顯示著手21700的廠家有比克，力神，億緯鋰能，天鵬電源，遠(yuǎn)東福斯特，猛獅新能等。

而32131電池，國(guó)軒高科發(fā)布，擬在合肥廬江建立32131圓柱電芯生產(chǎn)線。

單位體積容量與循環(huán)壽命、倍率、安全性是強(qiáng)相關(guān)因素：容量每提升10%，循環(huán)壽命大約會(huì)降低20%；容量每提升10%，充放電倍率降低30-40%；容量每提升10%，溫升大約會(huì)提高20%，且呈幾何級(jí)上升；能量密度越高，安全性風(fēng)險(xiǎn)越大。

基于18650電池的缺陷，隨著政策要求電池能量密度的不斷提高，提高了材料成本

a.新材料如NCA、硅碳等新材料供應(yīng)鏈尚不成熟，成本高，供應(yīng)難以穩(wěn)定；

b.新材料制程對(duì)環(huán)境要求高，固定資產(chǎn)投資高，能耗巨大；單體電池容量低，PACK成組技術(shù)要求和成本偏高；

c.單體電芯最多適應(yīng)正單、負(fù)雙極耳結(jié)構(gòu)，而且對(duì)能量密度影響較為顯著；

d.高曲率部分比率較大，循環(huán)壽命受到較大影響；

e.高能量密度與高倍率充電同時(shí)要求時(shí)，設(shè)計(jì)空間已到極限。
更大直徑圓柱鋰離子電池將成為必然趨勢(shì)，21相對(duì)18是更好的選擇，32131系列也是未來(lái)一個(gè)方向，但基于目前技術(shù)水平及其他類型的競(jìng)爭(zhēng)，短期內(nèi)，難以呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。