锂电池三大电芯封装技术的发展历程

一、方形、圆柱、软包三大电芯封装技术方向行业总览

1、三大电芯封装技术的发展历程

从目前单体电芯的技术分类来看，主要包括圆柱、软包以及方形电池。其中，圆柱的优势在于较高的生产效率/较低生产成本（vs.软包较高的单体电芯能量密度与安全性，方形较长的使用周期），而圆柱的劣势则主要包括相对较低的单体电芯能量密度与安全性（vs. 软包与方形较低的生产效率/较高生产成本，方形相对较低的单体电芯能量密度与安全性）。

2、三大电芯封装技术的优劣势比较

方形电池：封装可靠度高、系统能量效率高、能量密度较高、结构较为简单、扩容相对方便、可以通过提高单体容量来提高能量密度、稳定性相对好。但由于方形电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产，所以市场上型号太多，工艺很难统一；且生产自动化水平不高、单体差异性较大，在大规模应用中，存在系统寿命远低于单体寿命的问题。

圆形电池：与方形都属于硬壳封装，圆柱型电池工艺成熟，PACK 成本较低，电池产品良率以及电池组的一致性较高;由于电池组散热面积大，其散热性能优于方型电池，但后期依然要面对成组后散热设计难度大、能量密度低等问题。

软包型电池：采用铝塑膜包装、安全性好、重量较钢壳和铝壳电池轻、具有较高的质量比能量、内阻小、循环寿命更长，但是由于型号众多自动化程度低、生产效率低、成本高、高端铝塑膜严重依赖进口、一致性较差。

3、三大封装形式的电池市场发展趋势

预计未来方形电池为封装形式主流。根据高工锂电数据显示，2020年，软包、圆柱、方形三类封装形式的市场分别为：9.50%、9.70%、80.80%；预计 2025年，软包、圆柱、方形三类封装形式占比将分别达到：15.0%、25.0%、60.0%。我们预计2025年软包、圆柱、方形电池三者全球出货量将分别达到：180GWh、300GWh、718GWh.

二、方形、圆柱、软包三大封装方式产品的核心竞争力

1、方形电池

方形电池：性能适应市场需求，安全性较高适合搭载于中高端车型

方形电池在性能方面更加适合市场需求。方形电池具有内阻小、循环寿命长、封装可靠度高、耐受性好、成组相对简单、系统能量相对高等优势，凭借这些优势，方形电池在目前阶段更加能适应市场需求。但其也具备一些劣势包括：型号多，工艺难统一，生产自动化水平不高，单体差异大等。

方形电池的结构较为简单，铝壳体为主流。不像圆柱电池采用强度较高的镀镍钢作为壳体，因此整体附件重量要轻，相对能量密度较高。

方形电池安全性高，适合中高端车型。方形锂离子电池由于安全性高，能够通用于乘用车和商用车，无论纯电动还是混合电动。主机厂在中高端车型上也更倾向于采用方形电池。

方形电池结构较为简单。铝壳体为主流，典型的方形锂电池主要包括：顶盖，壳体，正极板、负极板、隔膜、绝缘件和安全组件等。

宁德 CTP 和比亚迪“刀片”各有千秋。比亚迪刀片电池把单个电芯宽度无限拉长，厚度做薄，然后直接把电芯放在整个 PACK 里面进行安装，尽可能简化模组。宁德时代 CTP 在模组和模组间采用一种套筒的连接方式紧贴在一起，同时套筒下游固定装置和整车相连，从而简化了结构。宁德 CTP 功率密度更高，成组效率更高，对大多数整车厂成本控制更为友善；而比亚迪“刀片”电池在空间利用率上表现更好，结构灵活性和耐久性上更具有价值和想象空间。

方形电池市场占比逐步爬升，占据绝大部分市场。方形电池市场占比从2018年的74%提升到了2021年的87%。

2、圆柱电池

圆柱电池：能量密度、成组效率低但一致性、安全性较好

圆柱电池能量密度相对较低。目前圆柱关键以磷酸铁锂电池为主导，其容量高、输出电压高、优异的充放电循环安全性能、输出电压比较稳定、能大电流量放电、操作安全稳定、对环境无污染。

圆柱电池封装的优势有：其生产工艺成熟；单个一致性较好；电池包成本低，使用范围广；耐高温，不易爆炸，安全性较好；内阻小，不易自耗电，有望替代镍氢电池的企业产品。其劣势包括：整体重量重；空间利用率低；成组效率低；能量密度低；径向导热差；单位容量较小；电池管理复杂度较大。

圆形电池结构与方壳类似，PTC 热敏电阻为独有。常规的圆柱电池除形状外，结构与方壳电池类似。典型的圆柱电池结构包括外壳、盖帽、正极、负极、隔膜、电解液、PTC 元件、垫圈和安全阀等。一般电池外壳为电池的负极，盖帽为电池的正极。

4680为最新突破：全极耳设计主要为了过流和热扩散。极耳的主要作用是作为极片与极柱的导电通路，决定了电池内阻和电池发热量。与立式极耳相比，全极耳设计把导电通路从局部小块，变成了整个平面的线形焊接，使发热量减少同时强化了快充性能。性能突破。4680 大幅提升了电池功率（6 倍于 2170 电池），降低了电池成本（14%于 2170 电池），优化了散热性能、生产效率、充电速度、能量密度、循环性能等。

2021年，全球圆柱锂离子电池出货量达到121.7亿颗，同比增长21.0%。2021年全球圆柱锂离子电池出货量增长较快的细分应用领域主要包括新能源汽车、储能和电动工具等，而电动两轮车用圆柱锂离子电池则因为共享电动车需求大幅度减少以及部分圆柱电池被方形和软包替代，其出货量在2021年出现较大幅度的同比下滑。

2021-2025年，全球圆柱锂离子电池市场规模预计将增长98.1亿美元，期间市场年复合增长率为6.79%。

3、软包电池

软包电池：性能优异，但成本高可靠性挑战大

软包电池电容量和能量密度均较高。软包电池容量大都在 30Ah-70Ah，其能量密度大多在220V-300V，并且能量密度上最大的优势就是轻，即便是运用了相同的电芯，三元软包电池的能量密度也会比钢壳三元锂电池高出 40%。

软包电池优势还包括：其安全性能好；重量轻，比能量高；内阻小，从而降低电池的自耗；电池容量大，充放电倍率高；外观设计灵活。其劣势包括：成本较高，国内多为进口；一致性差，标准化程度低，生产效率低；成组效率低；容易漏液；壳体机械强度低。

软包电池结构：外壳为铝塑膜且无顶盖，软包电池的基本结构与圆柱和方形类似，包括正极、负极、隔膜、绝缘材料、正负极极耳和壳体，但软包电池的壳体是铝塑膜，且没有顶盖。加压工艺是软包电池成型工艺中独特环节。铝塑膜封装结构决定了极片不能紧密排列，极片之间容易出现空隙，从而影响电池性能，所以在化成两次充电之间采用滚压工艺将极片之间的气体排除。

软包电池由 AESC 开创，由 LG 化学发扬光大。2007 年，动力电池公司 AESC（日产与 NEC 合资公司）将用于手机产品的软包电池做到了车规级标准。2010 年后，搭载 AESC 软包电池的纯电动车日产聆风广受欢迎。2009 年，LG 化学与现代共同推出首款现代 Avante 以及 Forte 电动车，正式迈入汽车电动化时代。2009-2015 年，LG 化学动力电池客户先后囊括通用、福特、科勒莱斯美国三大主流车企，顺利拿下雷诺、沃尔沃、奥迪、戴姆勒等欧洲客户，并通过雷诺-日产-三菱联盟逐渐进入日系车供应链。

三、方形、圆柱、软包三大类电池总结

圆柱电池：优点是一致性好、生产效率高、单体成本低，但能量密度较低，模组需要电芯较多，成组后成本优势削弱，寿命较差，电池管理复杂度大;

方形电池：是国内的主流封装形式，能量密度优于圆柱，优点是对电芯保护强、成组效率高，不足是大电池对制造工艺挑战大;

软包电池：外形设计灵活，单体的能量密度较高，封装工艺长期可靠性有挑战、铝塑膜加工和使用成本高。

单体性能上，1）能量密度：软包>方形>圆柱，主要考虑机械件重量在质量中的占比，随电池尺寸变大，差异变小；2）散热能力：软包、方形>圆柱；圆柱电池的散热能力在系统层级，因为电池间隙更大得到改善；3）循环寿命：软包>方形>圆柱，圆柱的电解液量相对少；4）安全性：圆柱>软包>方形；此时大圆柱需要使用镀镍钢，此处安全是个相对概念。安全阈值的绝对值在电池热失控的峰值能量下，差异不明显；5）充放电倍率：圆柱>方形>软包；6）成本优势：圆柱>方形>软包。

系统性能上，1）成组效率：圆柱、方形>软包，圆柱、方形、软包模组/系统成组效率分别为 87%/65%、89%/70%、85%/60%；2）可靠性:方形>圆柱>软包；软包封口边漏液是主要的市场失效表现；3）生产效率：圆柱>方形>软包；4）一致性：圆柱>方形>软包；5）成本优势：模块、电池包成组后圆柱成本优势逐渐削弱。

在能量密度方面，软包电池具有优势。该维度上国内领先的软包电池有宁德时代、孚能科技等，圆柱电池有力神、比克等，方形电池有宁德时代、亿纬锂能等。国内外产品在能量密度的差距上，圆柱、软包电池较大，方形电池基本没有差距，该维度上国外第一梯队多为日韩企业，如 LG 化学、三星 SDI、松下、远景动力等。

在循环寿命上，方形、软包电池远优于圆柱电池。圆柱电池的寿命可靠性较低与内阻较大、散热能力较弱有关。圆柱卷绕式电池在使用过程中的一种老化失效形式是卷绕极片发生翘曲，翘曲发生的来源可能是电极各层在循环中的体积变化步调不一致。下图存储、低倍率循环、高倍率循环后的电极形态对比中可以明显看到高倍率下的翘曲现象。在卷绕中心处加销轴能一定程度上抑制卷芯的形变，但销轴的引入会增加成本、重量等。