今年1月，特斯拉宣布采用21700型鋰離子電池，行業內頓時刮起了一陣“21700”旋風。作為圓柱型鋰離子電池的風向標，特斯拉將18650電池成功應用于電動汽車之后，引發了國內電池企業密集投產18650的風潮，18650電池也在電動汽車、電動工具、移動電源等領域得到了廣泛應用。

 

而此次特斯拉大規模應用21700電池，也引起了業內的極大期待。在此情況之下，包括遠東福斯特、猛獅新能源、深圳比克、億緯鋰能、力神電池等電池企業都宣稱將布局21700電池，同時還有大批圓柱電池企業表示高度關注，正在進行技術儲備，將21700電池納入公司未來產品發展規劃當中。

 

特斯拉21700電池

 

尤其最近一個月，一些電池企業21700電池生產線正式投產，快速將21700電池這股旋風壯大為“龍卷風”。6月28日，億緯鋰能建設的4條兼容21700與18650、年產能3.5GWh的全自動化圓柱生產線在金泉投產，這是國內首條21700電池生產線投資。7月20日，力神電池4GWh 21700動力電池項目投產。

 

從18650到21700，背后主要推手市特斯拉，動機就是為了降低其電動汽車成本，國內企業跟風而起以占先機。但在筆者看來，國內業界掀起的這股21700“龍卷風”對于真正推動鋰離子電池技術進步、產業發展幾乎沒有任何意義。

 

21700對動力電池系統提升有限

 

根據特斯拉披露的信息顯示，特斯拉生產的21700電池單體比能量達到300Wh/kg，比18650電池能量密度提升20%以上、單體容量提升35%、成本降低9%達155美元/KWh、在同等能量下所需電池數量可減少約1/3，系統重量減輕了10%。

 

據億緯鋰能表示，其21700電池容量達4Ah，比18650電池容量提升50%；能量密度達215Wh/kg，比18650電池提升5%~10%；成組數量降低約30%、產品直通率≥96%。根據天津力神發布的高容量21700電池產品顯示，單體電池容量4Ah的能量密度為210Wh/kg，單體電池容量5Ah的能量密度為260Wh/kg。

 

 

力神21700電池發布現場

 

對比上述公司的21700電池數據可以看出，與18650電池相比，21700電池的單體容量提高了35~50%，能量密度高5~20%，成組數量降低三分之一左右。表面上看21700電池性能提升較為明顯，但實際上并不如想象中的那么美好。

 

對比18650電池21700電池體積增加了46.5%，對應單體容量應該增長45%左右，在相同容量的動力電池組中，21700電池使用數量應較18650少四成左右；在假設殼體厚度一致的情況下，21700電池殼體重量較18650上升了26.9%，考慮到增加的電池材料重量，21700電池重量應該較18650提高了35%左右。照此計算，21700單體電池的能量密度較18650高10%左右。對照各公司發布的21700電池數據看，基本上和理論計算結果一致。

 

盡管21700電池的單體容量以及能量密度較18650電池有不同程度提高，同等能量下電池數量會減少，這會帶來整個Pack內部金屬連接件數量的減少。但其體積也提升了，在動力電池系統成組時單體電池之間的安全冗余空間也隨之增大，最終結果是系統重量降低10%左右，動力電池系統成本降低不到10%。

 

也就是說，從18650到21700，盡管單體電池性能提升較為明顯，但動力電池系統的能量密度提升和成本下降都只有10%，并不如單體電池那么明顯。

 

單極力推 市場前景并不樂觀

 

當前，只有特斯拉大力推動21700電池在電動汽車領域應用，其目的是為了降低其電動汽車成本，提升其電動汽車的市場競爭力。之所以這么做，還在于特斯拉在鋰離子電池成組技術上的優勢，通過復雜的串并聯方式將近8000顆18650型電池組成動力電池系統，這也是其立足之本。

 

特斯拉電池成組技術優勢明顯

 

但隨著市場競爭日趨激烈，為了向中低端市場拓展，特斯拉迫切需要降低電池系統乃至整車成本。在18650電池差不多到極致的情況下（工藝十分成熟，單體電池成本基本上取決于原材料價格變動情況），在鋰離子電池技術沒有取得關鍵性突破時，向大尺寸單體電池方向發展不失為一條好的路徑，于是乎21700電池進入了特斯拉的視野。

 

在經過驗證之后，特斯拉開始嘗試生產并使用21700電池。21700的優勢已經得到了眾多電池企業和業內人士的認可，國內電池生產企業紛紛響應，積極投入到21700電池產業化的大軍中。

 

但與之對應的是國內電動汽車企業對此反應平淡。我國電動汽車企業只要極少數采用的與特斯拉類似電池成組技術，更多的是以方形和軟包電池為主，不需要使用到18650電池，更不用說21700電池。即使是有電動汽車企業采用了18650電池，其電池模組、PACK、箱體和整車底盤等結構設計方面基本成型，幾乎沒有意愿采用21700電池。

 

要知道為了適配新電池，特斯拉專門為Model3設計了全新的電池組模塊和Pack架構和底盤結構，能夠最大限度的發揮21700電池的能量密度和綜合成本優勢，但國內絕大多數企業卻不具備這種完全正向開發的能力。加上21700電池還沒有經過市場驗證盲目，跟風直接導入21700將會對新能源汽車產生極大的安全風險。

 

 

21700電池安全風險增加

 

一是產品性能能否有保障？經過多年研發制造的經驗積累，18650電池以尺寸高度標準統一、制造工藝成熟、安全性和一致性高、成本低、能量密度高等優點得到了業內的高度認可，被廣泛應用于各個領域。松下、三星SDI的18650電池良率一般在98%以上，而國內的良率一般在90%左右。但換成21700之后，制造工藝尚不完全成熟，良率肯定會受到影響，產品的一致性也難以保障。

 

二是安全風險如何防范？一般來說，鋰離子電池單體電池體積越大，能量密度越高，安全風險呈幾何級數增長。經過多年的技術攻關和應用實踐，18650電池的安全性和可靠性得到了大家的認可。而21700電池尚未經過市場考驗，其安全性和可靠性如何保障？尤其是數千個電池成組，其安全風險更是放大了幾百倍。

 

三是綜合成本是否具有優勢？盡管特斯拉和億緯鋰能等其它電池企業都表示，21700電池在能量密度、制造成本、PACK成本等方面都比18650更有優勢，是企業實現降低動力電池價格，降低整車制造成本的有效方式。

 

綜合來看，21700電池的前景并不樂觀。

 

瓶頸難突破 鋰離子電池面臨圍堵

 

過去的30年里，鋰離子電池發生了翻天覆地的變化。形狀上，從最初的方形到后來的圓柱形，再到軟包電池。容量上，從最開始一塊手機用鋰離子電池的容量不足500mAh到現在一塊手機用電池的容量就達到4000mAh，而應用于電動汽車的單體電池容量超過100Ah。

 

主要材料方面更是突飛猛進，正極材料從鈷酸鋰到富鋰錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰等，現在還有更高電壓的磷酸錳鋰（LiMnPO4）、磷酸鈷鋰（LiCoPO4）等；負極材料最初以天然石墨、中間相碳微球等材料為主，后來擴展到人工石墨、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等碳素材料以及鈦酸鋰，其他尚未產業化的材料還包括錫基負極材料、合金類負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料等。

 

電解液從液態擴展到聚合物，以及現在非常熱門的固態電解液；隔膜主要使用聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴微孔膜，其他隔膜種類包括聚偏氟乙烯（PVDF）、纖維素復合膜、聚酰亞胺膜（PI）、納米纖維隔膜等。

 

應用領域上，從最初使用的手機，拓展到筆記本電腦等消費電子產品，到現在已經深入生活的各個領域，包括電動工具、電動玩具、電動自行車、電動汽車等。但隨著電動汽車的廣泛普及，鋰離子電池能量密度低、充電時間長等問題愈發突出，已經成為制約鋰離子電池發展的關鍵因素。

 

鋰離子電池看起來非常簡單，正極材料、負極材料、隔膜和電解液，再加上電極。事實上，別看它不起眼，鋰離子電池材料體系非常嚴密，真正是牽一發而動全身。如果要動它哪怕一分一毫，假設只是一個電極換成新材料，沒有長年累月的測試，誰也不敢打包票。

 

這也是現在鋰離子電池材料研究非常熱火，各種新材料、新技術報道層出不窮，而鋰離子電池進步緩慢，材料體系基本沒有變化的根本原因。與之同時，各類新型電池的研發及產業化正在加速，直接劍指鋰離子電池的各項弱點。

 

鋁空氣金屬燃料電池電堆

 

如鋅、鎂、鋰、鋁等金屬燃料電池比能量均超過300Wh/kg，甚至高達1000 Wh/kg，均大大超過了當前鋰離子電池；而采用錐形納米管狀硅材料或者3D多孔結構納米硅作為負極材料，鋰離子電池的充電時間可以由目前的幾個小時降至10分鐘左右；有機回流電池、超級電容器、雙碳電池、固態鋰離子電池等技術則能有效解決當前鋰離子電池起火難題。

 

應用牽引 加快突破核心環節

 

盡管特斯拉采用21700為電動汽車發展提供了新的思路，但同時也使得產業關注的核心轉變為工藝制程的進步，在鋰離子電池性能沒有明顯提升情況下，那只能治標不治本。要推動鋰離子電池長久發展，關鍵還是要治本。

 

筆者竊以為，應用市場需求是帶動鋰離子電池進步最大的力量。二次電池的發展歷史充分證明了這一點，鎳鎘、鎳氫等電池的興起在于小型消費電池產品市場的帶動，而衰落也在于這一市場被鋰離子電池所蠶食。

 

鉛酸電池能夠占據二次電池最大市場份額，在于其占據汽車啟停電池市場，這也是其經久不衰的根本所在，但由于其缺乏新的應用市場，鉛酸電池技術進步十分有限，同時還面臨著鋰離子電池的強力競爭。

 

當前，鋰離子電池已經完全占據消費電子產品市場，隨著消費電子產品不斷發生變革，鋰離子電池也在隨著進步，由于目前還沒有出現能夠在消費電子產品市場與鋰離子電池競爭的二次電池，鋰離子電池還將占據消費電子產品市場很長一段時間。

 

 

鋰離子電池已成功打開電動車市場

 

同時，鋰離子電池正在逐步打開在電動工具、電動自行車、電動汽車等動力電池市場，為其未來技術進步提供了良好的動力，再加上其競爭對手燃料電池、液流電池等新型電池還處于起步階段，離產業化還有一段距離，這為鋰離子電池技術變革提供了難得的歷史機遇期。

 

因此，筆者認為，鋰離子電池未來發展方向應該瞄準動力電池、儲能電池，在競爭對手尚未發展起來的機遇期，通過提高電池比能量、降低生產成本、增加循環次數，積極占領汽車動力市場，拓展儲能市場，擠占鉛酸電池市場空間，利用產業化優勢對燃料電池、液流電池等新型電池產業化進程造成影響，進而搶占有利競爭地位。

 

要實現上述目標，最根本還在于鋰離子電池實現革命性變化。從當前鋰離子電池的材料結構看，正極材料已經成為制約鋰離子電池性能提升的最關鍵因素，不管是現在已經產業化的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰，還是在研究當中的各種新型正極材料，都存在局限性：一是理論比能量有限，相對于負極材料而言；二是實際比能量和理論值還有較大差距；三是鋰離子電池充電時間過快的話就易造成正極材料結構發生變化。

 

 

正極材料突破是規模推廣的關鍵

 

因此，筆者認為要實現鋰離子電池革命性變化，必須首先突破正極材料的限制。一方面是繼續開發全新的正極材料，具備工作電壓高、理論和實際比能量高、溫度特性好、材料來源豐富、循環壽命長、安全可靠、成本較低等特性，從材料特性以及過往的正極材料研究歷史看，要實現這一點難度非常之大，10年、20年內完成的可能性極低。

 

二是充分發揮現有正極材料的潛力，創造性運用以納米技術為代表的新材料制備技術以及碳納米管、石墨烯等新材料，通過對現有正極材料改性、包覆等手段，改進現有正極材料制備工藝，解決當前正極材料存在的實際比能量低、充電時間長、生產成本高等問題，加快鋰離子電池在動力市場、儲能市場的應用。

 

筆者認為第二種方法實現的可能性較大，一是它不需要對現有鋰離子電池材料體系做大的改變，只需要細微調整，難度低、時間短；二是納米技術等新技術和碳納米管、石墨烯等新材料正在不斷成熟，為其在鋰離子電池中的應用奠定了很好的基礎。

 

一旦正極材料實現突破，也必然要求鋰離子電池整個材料體系發生變化，只有這樣才能實現鋰離子電池性能根本性提升。當然，隔膜、電解液要實現突破也是存在難度的，相較而言，負極材料突破的難度就小得多。另外電池制備技術和電池成組技術進步是必要的，這也是提升鋰離子電池比能量以及降低成本的關鍵因素。