统计分析：锂电池三种不同封装方式
有人对比较成功的17款电动汽车做了统计，结果表明8款采用了方形卷绕式，7款采用了方形层叠式，2款采用了圆柱卷绕式。电动汽车在选择电池构型上的分歧，实质上也反映了这些构型各具优、缺点。
圆柱卷绕式、方形层叠式和方形卷绕式是动力电池的三种重要构型。这里的圆柱卷绕式对应题干中的“柱状电池”，方形层叠式对应题干中的“软包”，方形卷绕式对应题干中的“方形”。有人对比较成功的17款电动汽车做了统计，结果表明8款采用了方形卷绕式，7款采用了方形层叠式，2款采用了圆柱卷绕式。电动汽车在选择电池构型上的分歧，实质上也反映了这些构型各具优、缺点。1. 圆柱卷绕式
圆柱卷绕式是一种很古典的电池构型，在镍氢、3c锂离子c上得到了长期的应用，业界也积累了大量的生产设计经验。圆柱卷绕式的优点包括生产效率高、一致性好等， 缺点包括圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳，电池的卷绕圈数不能太多（18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右），因此单体容量较小，应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和管理复杂度都大大增加。
圆柱卷绕式电池的外形看上去虽然简单，但是内在设计并不简单。好的电池设计是涉及电化学、热、电、机械等诸多领域的复杂问题，对电池设计人员提出了很高的要求。我想举两个小例子。
例一：下图是某款18650电池的内部尺寸（单位: mm），正、负极展开后的长度相加有近1.5米，但用于引流的极耳宽度只有4 mm。电池设计人员需要慎重地选择极耳（位置、个数等）、电极涂层的诸多参数，以期降低极板上的电流分布不均匀，同时降低电池内部的温度分布不均匀。
(reference: waldmann et al., jes 161 (10) a1742, 2014)
为了解决这个问题，一个简单的办法是在卷绕中心处加一个销轴，抑制卷芯的形变，如下图所示。
2. 方形层叠式
与卷绕式是由单片的正、负极片卷绕成形不同，层叠式电池是由多层极片层叠而成的。方形层叠式的优点包括：1) 厚度薄（受限于铝塑膜的冲压强度，一般不会超过1 cm），因此散热性能很好；2) 极片多，每片极片均有凸缘与极耳焊接在一起，极板上的电流密度分布均匀性好；3） 薄片式，易于组成模块和电池包，空间利用效率高；4）铝塑膜包装的重量轻，且抽真空后与电芯贴合紧密，有利于减少无效的重量和体积。
但是，这一构型的缺点包括：1) 铝塑膜封装的长期可靠性较难保证，如下图所示：
(nasa, li-ion pouch cell designs:performance and issues for crewed vehicle applications)
2) 电池体较软，极片间的接触阻抗可能会较大，需在模块层次或电池组层次加以解决；3) 相比卷绕式电池，生产制作效率较低。3.方形卷绕式
方形卷绕式结合了方形层叠式的外观特征（但往往厚度更大）和圆柱卷绕式的极板制作方法，具有空间利用率高、生产效率高的优点。但是，这一型电池的设计也是最为复杂的，需要考虑的设计变量非常多，还需要考虑壳体与电芯间的配合问题。综上所述，为了比较各类构型的优缺点，我们需要从热、机械、可靠性等很多角度角度来分析电池设计的优劣，而不止于传统的电化学特性。这是电动汽车发展后给电池行业带来的新挑战和新机遇。
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圆柱卷绕式、方形层叠式和方形卷绕式是动力电池的三种重要构型。这里的圆柱卷绕式对应题干中的“柱状电池”，方形层叠式对应题干中的“软包”，方形卷绕式对应题干中的“方形”。有人对比较成功的17款电动汽车做了统计，结果表明8款采用了方形卷绕式，7款采用了方形层叠式，2款采用了圆柱卷绕式。电动汽车在选择电池构型上的分歧，实质上也反映了这些构型各具优、缺点。1. 圆柱卷绕式
圆柱卷绕式是一种很古典的电池构型，在镍氢、3c锂离子c上得到了长期的应用，业界也积累了大量的生产设计经验。圆柱卷绕式的优点包括生产效率高、一致性好等， 缺点包括圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳，电池的卷绕圈数不能太多（18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右），因此单体容量较小，应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和管理复杂度都大大增加。
圆柱卷绕式电池的外形看上去虽然简单，但是内在设计并不简单。好的电池设计是涉及电化学、热、电、机械等诸多领域的复杂问题，对电池设计人员提出了很高的要求。我想举两个小例子。
例一：下图是某款18650电池的内部尺寸（单位: mm），正、负极展开后的长度相加有近1.5米，但用于引流的极耳宽度只有4 mm。电池设计人员需要慎重地选择极耳（位置、个数等）、电极涂层的诸多参数，以期降低极板上的电流分布不均匀，同时降低电池内部的温度分布不均匀。
(reference: waldmann et al., jes 161 (10) a1742, 2014)
为了解决这个问题，一个简单的办法是在卷绕中心处加一个销轴，抑制卷芯的形变，如下图所示。
2. 方形层叠式
与卷绕式是由单片的正、负极片卷绕成形不同，层叠式电池是由多层极片层叠而成的。方形层叠式的优点包括：1) 厚度薄（受限于铝塑膜的冲压强度，一般不会超过1 cm），因此散热性能很好；2) 极片多，每片极片均有凸缘与极耳焊接在一起，极板上的电流密度分布均匀性好；3） 薄片式，易于组成模块和电池包，空间利用效率高；4）铝塑膜包装的重量轻，且抽真空后与电芯贴合紧密，有利于减少无效的重量和体积。
但是，这一构型的缺点包括：1) 铝塑膜封装的长期可靠性较难保证，如下图所示：
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2) 电池体较软，极片间的接触阻抗可能会较大，需在模块层次或电池组层次加以解决；3) 相比卷绕式电池，生产制作效率较低。3.方形卷绕式
方形卷绕式结合了方形层叠式的外观特征（但往往厚度更大）和圆柱卷绕式的极板制作方法，具有空间利用率高、生产效率高的优点。但是，这一型电池的设计也是最为复杂的，需要考虑的设计变量非常多，还需要考虑壳体与电芯间的配合问题。综上所述，为了比较各类构型的优缺点，我们需要从热、机械、可靠性等很多角度角度来分析电池设计的优劣，而不止于传统的电化学特性。这是电动汽车发展后给电池行业带来的新挑战和新机遇。
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