2010 9Vol 34 No 9 新产品 新技术 865 松下 4 Ah 18650型 锂离子电池 本刊 贾旭平 2009 年 12 月 松下发布了一款 可用于多种便携式设备的 18650 尺寸的锂离子充电电池的高性能产 品 型号为 NCR18650A 与原产品 NCR18650 相比 容量从 2 9 Ah 提 高 到 了 3 1 Ah 与 原 产 品 NCR18650 一样 正极材料同样 使用镍类材料 但是对材料进行了改 进 因此使 18650 尺寸电池实现了业 界较高的容量 3 1 Ah 松下已为此 申请了专利 另外 该材料和处理技 术可阻止合金负极因重复充电造成 的变形 通常情况下 电池容量提高会导 致电池不安全因素的增加 而松下电 池能继续保持非常好的安全性主要 是依仗专利耐热层 HRL Heat Re sistance Layer 技术 即在正负极之 间配置了绝缘金属氧化膜 它可阻止 电池过热 甚至是在内部短路情况下 的过热 HRL 与隔膜是分开配置的 能最大限度地保证电池的安全性 该新型电池质量轻 电压仍与 原来一样同为 3 6 V 但体积能量密 度由 620 Wh L 提高到了 675 Wh L 电池能量由 10 4 Wh 提高至 11 2 Wh 质量由 44 g 左右增至 44 5 g 左 右 除了具备高的循环稳定性 优良 的充电性能和卓越的储存容量 还具 备非常低的自放电 这些性能都使电 池在整个生命周期里拥有非常好的 整体性能 因为松下电池具有非常好的性 能 所以移动市场的需求一直在攀 升 如在笔记本电脑方面 该公司表 示 计划今后通过连接多个 18650 尺 寸的电池 使其同样能够用于电动自 行车和电动汽车 2010 年 4 月 松下又宣布成功 研 发 了 采 用 更 新 型 电 极 材 料 的 18650 型锂离子电池 容量达到 3 4 Ah 和 4 0 Ah 可以为更多移动设备 带来更持久的电池续航能力 据松下 介绍 3 4 Ah 的 18650 型锂离子电 池将在 2012 年 3 月正式大规模量 产 而 4 0 Ah 的 18650 型锂离子电 池将在 2013 年进行大规模量产 新 款锂离子电池容量提升的秘密在于 都采用了改进的镍金属正极 而 4 0 Ah 的 18650 型锂离子电池则采用了 硅混合型材料作为负极替代传统的 碳 这种 4 0 Ah 的 18650 款式锂离 子电池有高的体积能量密度 800 Wh L 每个重约 54 g 比 NCR 18650A 型重约 10 g 但比能量约为 252 Wh kg 与现有石墨设计相当 该 锂离子电池在充放电 500 次后 仍可 保持至少 80 的能力 该公司表示 通过连接多个 18650 尺寸的电池组 成模块 然后多个模块连接在一起就 可用于 EV 电动汽车 这使得电脑 业界的标准电池已开始瞄准 EV 领 域的业界标准 松下改进电极材料增加锂离子电池容量 松下向 Tesla 交付首批 3 1 Ah 锂离子电池单体 2010 9Vol 34 No 9 新产品 新技术 866 目前 电动汽车 EV 的电池价格 已经开始崩溃 始作俑者便是全球最 大的消费类锂离子充电电池厂商松 下 即在 EV 中沿用笔记本 PC 用电 池 18650 来提高量产规模 降低成 本 虽然全球的汽车厂商和电池厂 商一直在致力于开发和普及各自标 准的电池 不过产量有限 价格居高 不下 而笔记本 PC 用电池则可以利 用现有的生产线 非常容易扩大量产 规模 而且能够以低价位供应 每辆 EV 中配备的电池容量相当于几百台 笔记本 PC 所用的电池容量 今后 如果笔记本 PC 用电池能扩展到 EV 中的话 汽车厂商进行的自主标准电 池就有可能失去竞争力 松下开发的电池模块由 140 个 单元构成 通过并联 20 个单元 可以 在确保容量的同时提高可靠性 在 2009 年的 CEATEC JAPAN 上 松下公开的电池模块 其电池容量为 1 46 kWh 25 2 V 58 Ah 包括电池 管理系统在内 价格控制在 5 10 万 日元 不到现有 EV 用电池的一半 当 前 EV 用锂离子充电电池的价格为每 千瓦时 10 15 万日元左右 松下通过串联配置多个该模块 来确保 EV 需要的性能 比如 当一 辆 EV 需要 20 kWh 电池能量和 350 V 电压时 只需配置 14 个模块即可 每个模块都为箱型 容积约为 7 L 质 量约为 8 kg 设想的使用方法是将这 些模块配置在车辆的地板下 中央通 道 Center Tunnel 以及行李舱中 图 1 使用 5 年仍可确保 7 成容量 松下此前也曾经开发过用于丰 田 RAV4 EV 和本田 EV Plus 等 EV 的电池 松下的内部公司 能源公司副社长生驹宗久回首过去 的开发时表示 为了实现高容量 Ah 公司曾致力于开发尽可能大的 单元 但是 单元尺寸越大内部冷却 就越困难 因 此几乎所有 的开发都遭 遇了挫折 对于目前的 EV 热潮 作 为电池厂商 仍可以选择 挑战大尺寸 电池 但生驹副社长判断 如果是 EV 用独自规格的电池 仅开发就需 要花费 3 5 年时间 现在市场已经在 谋求马上能够使用的便宜电池 所以 电池厂商无法在 EV 独自规格的电池 上花费成本和时间 于是 松下计划 通过扩展在笔记本 PC 领域积累的电 池技术 来迅速满足 EV 市场的要求 而且 通过使用和笔记本 PC 完全相 同的电池 还可获得量产效应 对 于 松 下 信 心 百 倍 推 动 的 18650 电池模块 许多 EV 厂商表示 出了对该电池模块的可靠性和耐久 性的担心 对此 生驹副社长表示 可以在充电 1 500 次 5 年 10 万公 里 时确保 70 的 SOC 充电容 量 这一数值接近日产对于 leaf 的电池设定的 使用 5 年后 SOC 为 80 10 年后 SOC 为 70 的水平 松下通过模块和单元两个层面 来确保 EV 需要的电池可靠性 模块 为 20 个电池单元并联而成 由于每 个 18650 电池单元的尺寸较小 因此 无法扩大每个电池单元的容量 Ah 所以就需要大量并联配置 18650 电 池单元 通过串联和并联的组合 来 确保马达需要的电压和容量 大量并联配置电池单元也有助 于提高以模块为单位的可靠性 原因 是即使并联的一个电池单元出现故 障 由于是并联配置 因此最多是续 航距离缩短一块电池单元的行驶距 离而已 图 2 电池模块内串联配置了 7 个由 20 个电池单元并联而成的子模块 即使一个电池单元发生故障 电压也 不会发生变化 只会导致续航距离稍 微缩短 万一某个单元出现故障时 电池 模块中配备的电池管理系统会对故 障进行检测 并在仪表板上点亮警告 标志 设想的使用方法是驾驶员去经 未来 18650 型电池在电动汽车及混合动力汽车领域的应用 图 1电池模块的配置 图 2使用并联 18650 单元的好处 销商那里更换出现故障的单元 另一方面 三菱汽车 i MiEV 的电池为所有单元串联配置 只要一 个单元发生故障 就无法供应电力 因此 电池需要非常高的可靠性 这 样一来成本就会上升 由于单块电池 的尺寸较大 所以电池需要有较高的 耐热性 如果是 18650 的话 由于是 小型 因此可以比较容易确保耐热 性 而且 由于是并联配置单元 因此 不用接近极限地追求单元的可靠性 也可以确保电池整体可靠性 松下计划通过改变单元的电极 材料来提高电池的寿命和容量 该公 司在 2006 年开始量产的单元中 将 正极材料由钴类改为了镍类 结果 电池寿命提高至两倍左右 同时容量 增至 2 9 Ah 图 3 4 镍类与原来一直使用的钴类相 比可以延长寿命 保持 80 容量时 的寿命为后者的 2 倍左右 镍类的采用不仅延长了电池寿 命 还有利于提高容量 目前的 18650 是从 2009 年 12 月开始量产 电流容量为 3 1 Ah 的 型号 松下计划在 2011 年度将电流 容量提高至 3 4 Ah 在 2012 年度提 高至 4 0 Ah 4 0 Ah 型号在负极中使 用了硅类材料 图 5 开发中的难点 是充电时负极材料膨胀率 原来使用 碳时为 1 5 倍左右 而硅类为 3 倍左 右 开发初期的单元如果反复充放 电 电极就会弯曲 松下通过在材料 的加工方法等方面下工夫 降低了由 于体积变化而造成的充放电循环特 性劣化 通过改良制造技术 2009 年 底开发出来的单元可以在使用时能 够保持电极构造不便 实用化已经有 了眉目 松下将通过逐渐提高电池单元 的容量 来应对汽车 要求的续航距离的扩 大 如果是相同续航 距离的话 可以通过 增加电池单元的容量 来削减每个模块的单 元数量 电池容量为 2 9 Ah 的话需要配 备 140 个单元 而如 果 电 池 容 量 为 4 0 Ah 的话 则可以减至 105 个 这样就可以 实现小型化 另外 虽 然电池的配备空间相 同 增加单元容量就 可以延长续航距离 采用 2 9 Ah 型号电 池 续航距离为 200 km 的汽车 如果采 用 4 0 Ah 型号可以 延长到 270 km 松下 18650 电池在 Tesla 电动汽车上的应用 特斯拉 Tesla 汽车公司的新一 代汽车将采用松下电池 Tesla 看中 了松下能量密度最高的镍基锂离子 电池组 该电池组容量高 质量轻 寿 命长和耐用性好 Tesla 之前从没有公布过到底是 哪家厂商为他们的 Roadster 提供了 电池组 但是现在他们同松下达成了 为其 Model S 提供电池的协议 松下 刚刚揭幕了一座生产 3 1 Ah 锂离子 电池单体的工厂 这种 18650 规格的 电池单体是目前世界上量产能力最 大的电池单体 Tesla 是目前世界上 唯一一家使用这种在笔记本电脑上 广泛应用的电池的汽车制造商 其他 汽车制造商都使用更大规格的电池 组 松下位于日本 Suminoe 的工厂 每年可以产生 3 亿个电池单体 这足 够组成 48 000 个用在 Roadster 上 的电池组了 每辆车 的电池组包含 6 183 个电池单体 全新 能量密度更 大的电池单体可以在占用更小体积 的同时带来更多的电能 Tesla是唯一生产具有高速公路 能力的电动汽车 它为北美和欧洲的 客户提供了将近 900 辆的电动跑车 该公司的汽车速度比奥迪 R8 要快 但是效率是传统汽车的 6 倍 特斯拉 的汽车每次充电约可行驶 244 英里 充电成本不到 5 美元 867 2010 9Vol 34 No 9 新产品 新技术 CJPS 图 4电池的高容量化 图 3正极材料使用镍类 图 5开发负极采用硅类的电池 。