松下4Ah18650型锂离子电池

2010.9Vol.34No.9865松下4Ah 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2.9Ah 提高到了 3.1Ah 。

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(3.1Ah)，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3.6V ，但体积能量密度由620Wh/L 提高到了675Wh/L ，电池能量由10.4Wh 提高至11.2Wh 。

质量由44g 左右增至44.5g 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3.4Ah 和4.0Ah ，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，3.4Ah 的18650型锂离子电池将在2012年3月正式大规模量产，而4.0Ah 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4.0Ah 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4.0Ah 的18650款式锂离子电池有高的体积能量密度800Wh/L ，每个重约54g ，比NCR-18650A 型重约10g 。

但比能量约为252Wh/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3.1Ah 锂离子电池单体2010.9Vol.34No.9866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1.46kWh(25.2V ×58Ah)。

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20kWh 电池能量和350V 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7L ，质量约为8kg 。

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1500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2.9Ah(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3.1Ah 的型号。

松下计划在2011年度将电流容量提高至3.4Ah 、在2012年度提高至4.0Ah 。

4.0Ah 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2.9Ah 的话需要配备140个单元，而如果电池容量为4.0Ah 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2.9Ah 型号电池、续航距离为200km 的汽车，如果采用4.0Ah 型号可以延长到270km 。

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3.1Ah 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48000个用在Roadster 上的电池组了，每辆车的电池组包含6183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。

8672010.9Vol.34No.9CJPS 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。