第七章：锂离子电池的类型和尺寸

基本上有三种主要类型的锂离子电池的形状因素：小圆柱形，大棱柱形和袋状（或聚合物）电池。到目前为止，目前产量最高的锂离子电池形式是18650圆柱形电池，每年生产近6.6亿个电池（TrendForce,2013）。18650的命名法意味着该电池直径为18mm，长度为65mm。在汽车应用方面，几乎所有主要汽车制造商都认为“小型”圆柱形电池主要适用于u-HEV和hev型电源应用，但特斯拉除外，它只使用大批量的18650电池。对于插电式混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（BEV）类型的应用，大多数汽车制造商要么使用大型矩形或圆柱形棱柱状电池，要么使用扁平的“袋状”型电池。这样做的原因主要是由于实现所需电压和能量所需的电池数量，从可靠性分析来看，这意味着使用小电池比使用大电池有更多的连接，因此在小电池组件中有更多的潜在故障区域。从原始设备制造商（OEM）的角度来看，大量的电池等于未来保修成本的高潜力。他们倾向于从质量的角度来看待这个问题：超过7000个电池意味着与这些电池的连接超过14,000个，而伏特电池组的焊接次数为576次。因此，从“六西格玛”质量的角度来看，与只有576个电池连接的电池组相比，14,000个连接中有一个连接失败的几率要高得多。

例如，特斯拉使用松下的18650型电池，而在Model-S轿车中，他们的85千瓦时电池组需要超过7000个电池（他们也提供60千瓦时的“基础”电池组）。通用汽车在其16.5千瓦时的车型中只使用288个袋式电池，雪佛兰Volt和日产在其24千瓦时的leaf车型中只使用192个袋式电池。

当我们开始研究物理类型的电池时，目前基本上有三种类型的电池在量产：圆柱形、棱柱形和聚合物。如上所述，18650是目前为止量产量最高的电池。然而，A123生产的32330（32毫米直径×330毫米长度）和18mm×36mm×65mm（本质上尺寸与两个相同）的小型圆柱形电池正在生产中18650电池并排)“摇摆”和“奏鸣曲”电池由波士顿电力公司生产。Saft生产一系列大型圆柱形电池，广泛应用于航空、航天和军事领域。圆柱形电池的好处是，它使用钢、镀镍钢或铝罐，这提供了高强度的包装，需要大量的能量来破坏它，并且它对罐内的果冻卷提供了“堆叠”压力。如今，也有相当数量的电池组装和制造设备供应商为这种产品提供“现成”的制造解决方案。

除了尺寸之外，使用较小格式电池所面临的挑战之一是盖子组装。许多制造商已经过渡到将盖子激光焊接到电池上，而一些制造商继续使用卷曲工艺来连接盖子。2006年，当金属颗粒开始进入电池内部时，电池开始失效，索尼发布了2.5亿美元的召回，这就体现了对压接的担忧（Mook,2006）。随后的研究发现，正是在压接过程中，一些用于镀钢电池的镍开始脱落，导致消费者应用中的内部短路和火灾。

另一个相对较小的缺点是，圆柱形电池的初始阻抗往往比棱柱形或聚合物型电池高得多。这意味着它将有更高的产热率，在这种形式下，最好的冷却解决方案是对电池组进行空气冷却。然而，这也是最不有效的主动冷却方法。然而，由于电池很小，产生的热量很容易管理。

棱柱型电池是一种坚硬的钢、塑料或铝罐，呈矩形形状，正迅速获得各大汽车制造商的广泛关注。其中一个原因是由欧洲汽车制造商组成的汽车工业协会汽车工业通用波段（VDA）提出了第一批关于单元大小的拟议“标准”之一（见下面的表6）。更大的棱柱形电池的好处是，它需要更少的“包装”硬件“与聚合物类型的电池相比，集成到完整的ESS中，它们具有相当高的容量评级。如前所述，需要建立的电池间连接更少，因此可靠性预计会更高。我在这里说预期是因为这些应用中很少达到其EOL，因此可靠性计算仍然是大多数应用的估计。锂离子电池的第三种形式是锂离子聚合物电池（LiPo、LIP或Li-poly），也被称为“袋状”或“层压板”电池，因为它们使用柔软的聚合物层压板外壳。“聚合物”一词最初是指使用聚合物基电解质而不是液体基电解质。然而，今天这个术语已经成为一个通用的绰号，用来指代袋型电池的物理外形因素。在讨论锂聚合物电池时，这确实有时会引起一些混淆，因为有些人在聚合物电解质方面提到它们，而另一些人则在形状因素方面提到它们。

由于其薄的外形因素，袋式电池已成为许多便携式电源应用的标准，如手机和平板电脑。它也是一种非常灵活的电池型解决方案，因为它相对容易制造出这种电池的许多尺寸变化，使得设计成独特的包装解决方案相对容易。这种外形因素的挑战之一是，将前面提到的一些安全功能集成起来的难度更大。电池排气的预测和管理难度要大得多，通常不可能将cid和ptc这样的东西集成到这种外形因素中。一般来说，还需要将电池设计成能够管理电池“堆叠压力”的模块。在大多数情况下，如果在电池的表面施加一致的压力，那么袋式电池在使用寿命期间的性能会更好。确保压力均匀施加也是非常重要的。如果施加的压力不均匀，就会影响电池在电池内部让锂离子来回传递的能力，最终导致锂离子开始被卡住。这被称为锂电镀，或者在某些领域，当锂离子变得固定，不再来回传递时，它被称为“白掉”；这增加了电池的阻抗，降低了电池的寿命。聚合物型电池的另一个挑战是，它必须小心处理，因为它的包装是软型层压板或聚合物外壳。因此，在电池组装过程中，它相对容易损坏。这种尺寸的电池可以从毫安小时（mAh）一直到大约100Ah的容量。