全球鋰電芯的封裝形態(tài)變化是研究動力電池發(fā)展史非常有意思的切入點。鋰電池行業(yè)經(jīng)歷了長達30年的發(fā)展，全球封裝形態(tài)目前卻形成了各區(qū)域顯著不同的結(jié)果。

中國以綜合性更強的方形電池為主導(dǎo)、軟包和圓柱為輔，電芯總產(chǎn)能冠絕全球；美國車企則以圓柱和軟包為主，圓柱主要感謝特斯拉在美國有超過70%的市占率，而底特律汽車三大則堅持能量密度更高的軟包；歐洲以軟包電芯為主導(dǎo)、方形次之，其中純電車型堅持長續(xù)航的軟包，德系車企對更符合車規(guī)級的方形則青睞有加。

有沒有想過，為什么是這樣？為什么全球不同國家選擇了不同的電池封裝技術(shù)路線？

不同路線各有優(yōu)劣，如今技術(shù)格局復(fù)盤下來很大程度要歸因于歷史原因——歷史時間軸上三種封裝形態(tài)的成熟度與創(chuàng)新加速度有所差別，因此也影響了各區(qū)域主機廠和電池廠在不同歷史節(jié)點對電池技術(shù)路線的決策。接下來讓我們歸根溯源來看鋰電池封裝形態(tài)的發(fā)展歷史。

2021年全球主要區(qū)域電芯封裝形態(tài)分布

本文包含以下內(nèi)容，閱讀需要30分鐘。

圓柱電池開創(chuàng)者——索尼大法好

日本人內(nèi)卷——松下后來居上

美國特斯拉頂一把——吹過的牛逼都得實現(xiàn)

松下與特斯拉的蜜月期——廣場協(xié)議之后的活久見

軟包和方形電池的反擊——中韓登上舞臺

軟包電池快速占領(lǐng)全球市場三分之一

馬斯克口嫌體直，死磕圓柱電池做“大”對抗軟包

“寧王”攜方形電池強勢崛起

中國特色的動力電池發(fā)展路線

天下三分，4680或?qū)黼姵匦袠I(yè)新變局

圓柱電池開創(chuàng)者

索尼大法好

圓柱鋰電池歷史最為悠久、其采用的卷繞工藝也最為成熟，帶來了又便宜又安全的優(yōu)勢。圓柱電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以比喻為一個驢打滾，千張卷盤踞在外殼之內(nèi)，類似滾同心圓的卷繞工藝相較疊片等其他工藝流程最為簡潔，易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，加工成本低廉，電芯產(chǎn)品一致性高，且圓柱單體間的空隙帶來了極佳的散熱性，安全系數(shù)高。追溯圓柱電池應(yīng)用歷史，早在1973年，世界上第一款移動手機、美國摩托羅拉的DynaTAC 8000X就采用了6節(jié)圓柱形態(tài)的鎳鎘電池，但由于材料體系受限、充電耗時10小時只能通話30分鐘，因此研究者一直在探索新一代的鋰離子電池。

搭載圓柱鎳鎘電池的世界第一款移動手機——摩托羅拉DynaTAC 8000X

1980年牛津大學(xué)著名的“鋰電池之父”約翰·古德納夫（John Goodenough）及團隊突破性發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰正極材料，這種鈷和鋰的金屬氧化物可以在4伏的電壓下支持半數(shù)的鋰離子脫出而不坍塌，是當(dāng)時性能遙遙領(lǐng)先的正極方案，但受限于負極采用鋰金屬的鋰枝晶和粉末化問題，鋰電池一直沒有大規(guī)模商業(yè)化。

直至1991年，索尼發(fā)布了人類歷史上第一個商用鋰離子電池，通過當(dāng)時已經(jīng)成熟且簡潔的卷繞工藝形成了18650圓柱電芯，能量密度達到80Wh/kg，約為當(dāng)時鎳氫電池的2倍。這一發(fā)明背后起到?jīng)Q定性作用的是來自索尼的技術(shù)合作方旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino），他在1985年就開創(chuàng)性的使用石墨代替鋰金屬作為負極，搭配來自古德納夫的鈷酸鋰正極，根本上改善了鋰電池的循環(huán)壽命問題——圓柱鋼殼包裹鋰過渡金屬氧化物和石墨分別作為正負極材料的組合初具雛形，吉野彰也和古德納夫于2019年共同拿下諾貝爾化學(xué)獎。

至于最后拍板直徑18mm、長度65mm的圓柱電芯規(guī)格18650，則有一定偶然性，當(dāng)時這個電池最開始是為了索尼自家的手持?jǐn)z像機量身打造，如果做成5號電池（14500）則容量不夠；做成2號電池（26500）則尺寸又太大，所以18650就這樣被“妥協(xié)”出來了。隨后，索尼這款18650鈷酸鋰電池被迅速用到全球隨身聽、攝像機、相機、手機、筆記本電腦等各類便攜設(shè)備中，1994年索尼成為最大筆記本生產(chǎn)商戴爾的電池供應(yīng)商。

早于1997年，索尼就與日產(chǎn)汽車進行了車載鋰電池的合作，幫助日產(chǎn)制造出世界上第一輛使用圓柱鋰離子電池的純電車型Prairie Joy EV，續(xù)航可達200公里，最高時速120公里/小時，用于日本北極觀測科研任務(wù)。Prairie EV曾經(jīng)連續(xù)6年擔(dān)負日本國家北極考察隊從基地研究站到城鎮(zhèn)、機場的日常運輸重任，且在沒有日產(chǎn)汽車提供技術(shù)支持或維護的情況下，未出現(xiàn)任何故障。但是由于高昂的BOM（Bill of Materials，物料清單）成本和充電基建投資強度，日產(chǎn)沒有信心把它投放到C端市場，僅僅限于車隊to B銷售，從1997年起向各個實體出售了大約30臺車。

可惜的是索尼隨后在戰(zhàn)略上否定了汽車動力電池領(lǐng)域，直至2016年才重新正式宣布進入車用鋰電池領(lǐng)域，錯過了動力鋰電池跑馬圈地的時代。由于智能手機時代以圓柱為主的索尼逐步落后于以ATL（寧德新能源科技有限公司）為代表的中國3C軟包電池廠商，索尼鋰電池業(yè)務(wù)陷入虧損，最終2016年底索尼將電池業(yè)務(wù)僅以11億人民幣價格出售給了村田，可謂起了大早、趕了晚集。

搭載索尼圓柱電池的日產(chǎn)Prairie Joy EV 在北極

日本人內(nèi)卷

松下后來居上

索尼開創(chuàng)了圓柱電池，但真正將其在動力電池領(lǐng)域發(fā)揚光大的則是他的老對手松下。松下緊隨索尼之后的1994年完成了對18650圓柱電池的開發(fā)，并且積極進入動力電池界。相比于索尼與日產(chǎn)對純電車型的堅持，松下更具產(chǎn)業(yè)化角度的實用主義戰(zhàn)略眼光，選擇了過渡形態(tài)的油電混合動力路線進行彎道超車——與混動鼻祖豐田公司結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴，1996年松下和豐田成立合資電池公司Primearth EV Energy (PEVE)。

隨后豐田于1997年推出了世界上第一個真正意義上大規(guī)模生產(chǎn)的混合動力車款豐田普銳斯Prius Hybrid，混合油電雙引擎與行星齒輪系統(tǒng)后搭載了松下1.73kWh的圓柱鎳氫電池，鎳氫當(dāng)時較鋰離子電池更具穩(wěn)定性。Prius這款車平均油耗僅為3.6L/100km，大幅低于當(dāng)時油車新款8L/100km的油耗，油耗表現(xiàn)出眾，因此盡管外觀設(shè)計保守平庸、但仍在歐美市場獲得了不錯的接受度，最終Prius一代全球銷量突破了12萬輛。但由于Prius一代近17000美金的定價遠遠無法覆蓋其約32000美金的BOM成本，這款一代車最終于2003年停產(chǎn)。

搭載1.7kWh容量松下18650圓柱鎳氫電池的豐田一代Prius Hybrid

美中不足的是混動車型Prius一代良好的出貨量并沒有幫助松下站穩(wěn)動力電池龍頭地位，一是因為混動車型畢竟電池包帶電量較低、單車不足2度電，12萬臺累計出貨也僅有200MWh；二是因為混動產(chǎn)品多繼承自油車平臺，要求電池包能靈活設(shè)計來更好的匹配“油改電”后受限的車身空間，但圓柱電芯相對固定的尺寸標(biāo)準(zhǔn)和矩陣式排列方式難以滿足對電池包規(guī)格和體積進行定制開發(fā)的要求，這也為后來軟包和方形電芯的崛起埋下了伏筆。

期間松下也在努力嘗試聯(lián)同豐田積極推出純電車型，1997年同年松下圓柱鎳氫電芯也裝機了豐田純電SUV車型RAV4 EV，電池容量為27kWh，滿電的續(xù)航里程可達190km。但這款純電車型與日產(chǎn)當(dāng)時預(yù)計的情形類似，市場反響較差，僅售出1484輛、且其中只有328輛賣給了C端消費者，大頭只能被租賃公司吃下。直到2003年RAV4 EV純電車型停產(chǎn)，豐田重新把戰(zhàn)略聚焦回混合動力車型上。但在松下角度如何進一步推動車載電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長仍舊是一個難題。

所幸松下在2008年經(jīng)濟危機期間發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)整合機會，最終斥資46億美金對日本同行三洋電機進行了控股權(quán)收購。三洋電機自1995年研發(fā)鋁殼方形電芯后也兼具了18650圓柱電芯技術(shù)，當(dāng)時位居鋰電池份額世界第一，并且方形電芯相較圓柱電芯擁有高成組效率和空間靈活性、更適合對空間利用率要求高的混動車型，這也幫助三洋成功從松下手里拿下了豐田普銳斯二代新車型。松下也憑借這項收購成為了全球最大鋰電池供應(yīng)商、也重新?lián)尰亓素S田的訂單。但命運的齒輪開始轉(zhuǎn)動，這筆交易背后還藏著個更大的禮物——三洋電機正是特斯拉最初選定的鋰電池供應(yīng)商。

搭載了53kWh容量松下18650圓柱鈷酸鋰電池的Tesla Roadster一代

美國特斯拉頂一把

吹過的牛X都要實現(xiàn)

特斯拉及其創(chuàng)始團隊與圓柱電池的結(jié)緣由來已久。

2003年，特斯拉最早的創(chuàng)始人硅谷企業(yè)家馬丁·埃伯哈德接觸到了從通用EV-1鉛酸電動車項目團隊出來的湯姆蓋奇和他的AC Propulsion公司，當(dāng)時他的第一款鉛酸原型車T-zero已經(jīng)可以做到百公里加速4.9秒、但續(xù)航只有130公里。于是以埃伯哈德以15萬美金注資為交換來委托AC Propulsion進行鋰離子電池版本車型的開發(fā)并開放給他技術(shù)授權(quán)。開發(fā)重點是研究如何使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成18650圓柱鋰電池，做過電子閱讀器創(chuàng)業(yè)的埃伯哈德當(dāng)時已經(jīng)體會到18650是當(dāng)時條件下品質(zhì)最好、價格最便宜的電池，但難點是做到純電長續(xù)航需要在電池組中使用成千上萬個這樣的小圓柱電池，電池容量相當(dāng)于之前日產(chǎn)、豐田純電車型的一倍以上。

馬丁·埃伯哈德做完調(diào)研工作后，于2003年7月成立了特斯拉公司。同年9月AC Propulsion在委托下完成了T-zero鋰電版原型車的開發(fā)，搭載了數(shù)千塊筆記本電腦上的18650電池，性能上百公里加速達到了3.6秒、同時續(xù)航大幅增加到了480公里，驗證了大量小圓柱電池用于長續(xù)航純電車的可行性。

硅谷早期明星電動車T-zero，最早驗證了數(shù)千塊18650電池用于長續(xù)航純電車的可行性

隨后就是大家都知道的，特斯拉公司在2004年3月經(jīng)AC Propulsion介紹、獲得了馬斯克640萬美金的注資，馬斯克也拉入了他投資的另一家計劃用鋰離子電池制造電動車的創(chuàng)始人JB.施特勞貝爾加入特斯拉作為聯(lián)創(chuàng)與CTO。值得一提的是電池專家施特勞貝爾從大學(xué)期間就在嘗試打造電動車、也同樣對大量串聯(lián)上萬塊鋰電池裝車有著構(gòu)想，情投意合的特斯拉創(chuàng)始團隊就此組建起來。