从电动汽车到手机，锂离子电池无所不在。但是，不同的应用对电池形式的特性有不同的要求，电动汽车就是一个特别具有挑战性的应用案例。电动汽车电池有几种包装方式--圆柱形、方形和软包。每种包装方式都有其独特的优势，目前这三种包装方式还没有明显的优胜者。

电动汽车电池组通常由成百上千个独立的电池单元组成，这些电池单元被组装成称为模块的子单元，然后再组合成电池组这个较大的单元。电池组周围有一个电池管理系统，用于监控和调节电池组的状态；通常还包括一个冷却系统，以保持电池组在适当的温度下安全运行并延长使用寿命。每种不同的设计都有其优点，但也有特定的缺点，尤其是使用新一代固态锂金属技术的电池。锂金属电池与传统锂离子电池最关键的区别在于，锂金属电池在锂沉积的过程中会膨胀。因此，在完全充电时，整个电池会变厚。这种膨胀在 QuantumScape 的无负极设计中尤为明显，由于它比传统锂离子电池的膨胀更大，这给选择合适的电池格式带来了挑战。在本文中，我们将回顾当今三种主要电动汽车电池设计的优点和缺点，并研究每种设计对固态锂金属技术的适用性。下图对比了不同电池形式的优缺点。

圆柱形电池

圆柱形电池可能是人们最熟悉的电池形式，从笔记本电脑到市场上最流行的一些电动汽车都采用这种电池。它们通常以物理尺寸来表示：例如，许多畅销电动汽车目前使用的 2170 电池宽 21 毫米，长 70毫米。电池由负极层、聚合物隔膜和正极层组成，制造时将长片卷起并插入金属壳中，然后在金属壳中注入液态电解质。索尼公司在 20 世纪 90 年代首次将这种设计推广到手持式摄像机中。在电动汽车电池组中，圆柱形意味着单个电池之间总会有空隙，从而降低了电池组的能量密度和汽车的续航能力。在现代电动汽车中，部分空隙可用于冷却，但仍有浪费空间。

圆柱形电池紧密堆积，之间总是留有空隙

尽管存在这些缺点，圆柱形电池仍因其一些独特的优点而大行其道。例如，锂离子电池老化时会产生气体，导致电池内部压力增大。圆柱形电池比方形电池更坚固耐用，可以使用更薄的金属壁来承受内部压力，因此圆柱形电池的能量密度比其他形状的电池略高。有可能用锂金属负极制造圆柱形电池吗？QS认为不可能。当锂在负极上极化时，负极层会显著膨胀；如果将负极层卷起，这种膨胀会导致负极层试图展开，从而对电池的内部结构造成应力和损坏。因此，QS认为圆柱形不适合锂金属电芯。

方壳电池

方壳电池顾名思义就是一个长方形的金属盒。电池的各层要么像扑克牌一样堆叠在一起，要么卷绕在一起，然后压平装入电池外壳。棱柱电池在电动汽车中特别有用，因为它们可以紧紧地挨在一起，而不会浪费空间，因此具有出色的成组效率。

对于方壳电池，通常通过电池组底部进行冷却，金属外壳作为散热器，吸收热量并向下传导至冷却元件。然而，电池紧密封装使得电池在快速充电时保持冷却本身就更具挑战性，尤其是当电池体积较大时--例如，方壳电池的储能容量超过50 Ah，而标准圆柱电池的储能容量为4.8 Ah。方壳电池还面临其他挑战。例如，由于方形电池的刚性不如圆柱形电池，因此电池壁必须更厚，这就增加了电池的重量和成本。方壳电池的顶部（称为顶盖）组装起来也相对复杂，增加了制造成本和时间。

说到锂金属电芯，方形是合适的，但也有一些注意事项。锂金属电池的各层可平铺成方形。但是，当负极层膨胀时，电池内部必须有其他东西（如弹簧或泡沫）来适应这种膨胀。由于这种装置位于锂电池层和金属外壳之间，因此会部分阻碍内部的热量传递，从而限制快速充电性能，并占用额外空间，降低能量密度。

软包电池

最后一种电池可能是最简单的。软包电池是将一系列负极层、隔膜层和正极层堆叠在一起，并封装在由塑料和铝制成的柔性层压材料中。软包电池有几个优点。首先，由于电池周围没有坚硬的外壳，因此可以提供良好的电池级能量密度，并保持较低的成本。软包材料可以伸展，以适应传统锂离子电池在使用过程中出现的膨胀。此外，它们由廉价材料制成，不像棱柱电池那样包含许多复杂的部件，这意味着它们可以非常快速地制造出来。不过，它们也有缺点。软包袋本身并不坚固，材料容易损坏，这对传统锂离子电池构成了安全风险。在电动汽车电池组中，这意味着它们必须由更坚固（更重）的模块结构保护，从而抵消了电池的能量密度优势。模块还必须起到从电池中排出热量和抑制电池随时间膨胀的作用。软包袋通过将一些机械要求从电池层转移到模块层来简化电池设计，但代价是模块设计更重、更复杂。相比之下，方形或圆柱形电池的自给能力更强，在某些情况下，甚至可以实现电池到电池组的集成，从而完全消除模块。

对于锂金属系统来说，软包电池与方壳电池有类似的缺点。在模块层面设计的任何机制都会在软包电池充放电时膨胀和收缩，这将成为一个不理想的散热器，增加成本和复杂性，增加重量并占用宝贵的空间。热管理对于反复提供 15 分钟快速充电的电池尤为重要，因为产生的热量可能远远大于当前电池在较低充电速率下产生的热量。QS认为，袋式电池不是锂金属电动汽车电池的最佳选择。

QuantumScape 的PPT解决方案

QuantumScape 的锂金属电池技术平台具有显著提高电池电动汽车性能的潜力。但是，将这种下一代技术应用到实际车辆中会面临一些独特的挑战，而现有的三种电池格式都无法解决这些问题。因此，QS开发了一种专有的电池格式--FlexFrame。它的特点是电池组边缘有一个框架，外层是柔性聚合物，可适应锂金属电池在充放电过程中的单轴膨胀和收缩。这种电池的设计目的是在快速充电时散发多余的热量，并提供良好的封装效率，使QS的技术能够实现电池级能量密度目标。完全放电时，电池堆处于最收缩的位置，电池面低于边框约一毫米。充电时，每一层的负极都镀有纯锂金属，它们会将电池面和柔性包装材料一起推出。完全充电后，电池面几乎与边框齐平。QS相信，这种专门设计的方法可以释放出最大的潜力，真正实现高性能锂金属电芯的承诺。

文章来源：Batteryman Helps Batteryman

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