方形锂离子电池与圆柱形锂离子电池成本分析

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12月17日，华北地区全面启动了雾霾红色预警，北京、河北和天津等地纷纷开启单双号限行的模式，三地的政策有一共同特点就是所有限行措施只针对传统的燃油汽车，新能源汽车不受限制，可以在任何时段上路行驶。国家为了推动新能源汽车的发展，不但为新能源汽车提供了国家和地方两级财政补贴，还免除新能源汽车的购置税，并且在北京、上海、天津等实行汽车号牌限制措施的地区，还实行新能源汽车不限牌等措施，国家为支持新能源汽车的发展可谓是不遗余力，但是新能源汽车行业终归还是要进行市场化运作的，短期的政策刺激并不能保证新能源汽车产业的健康发展，只有这个产业经过引导后，进入良性循环之中，才能实现可持续发展。

现在新能源汽车面临的问题，除了人们对新能源汽车不信任之外，其实最大的问题还是价格的因素，以比亚迪的秦插电式混合动力汽车为例，除去国家补贴，免去购置税和购买号牌的费用后，落地价格仍然达到16-17万之间，而纯电动汽车的价格更是高达20万以上。在这个价位上人们完全可以选择安全配置更高，舒适性更好的燃油车辆，因此一旦国家补贴退出，新能源汽车的价格进一步上涨，新能源汽车的发展如何，仍然是一片迷茫。

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对于新能源汽车，对成本影响最大的就是锂离子电池储能系统，目前汽车上采用较多的为圆柱形的电池，圆柱形电池的成本主要受尺寸和电极厚度，以及材料的选择和生产规模等因素的影响，但是目前通过提升圆柱形电池的尺寸和增加电极厚度的方式来降低成本已经收效甚微，而方形电池在降低成本方面则还有很大的潜力可以挖掘。

为了对锂离子电池的生产成本进行深入的分析，人们开发出了众多的模型，其中最为著名的为美国阿贡国家试验开发的BatPaC模型，该模型采用了多种的电池组结构和电池的化学成分，能够计算电池组每kWh的成本，生产规模可以从基础到10万组电池组／年进行设定，利用该模型人们发现降低SEI膜的成膜周期和替代昂贵的溶剂，提高锂离子电池电极的厚度，提升锂离子电池的容量都可以降低单位能量的成本。

美国卡内基梅隆大学的RebeccaE. Ciez与他的同事J.F. Whitacre利用基于BatPaC的成本模型分析了圆柱形电池和方形电池的成本情况，发现在目前的技术水平下，圆柱形进一步降低成本的空间很小，而方形电池则有很大的潜力去降低锂离子电池的成本。

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模型中RebeccaE. Ciez以18650电池作为基线，允许其在高度和直径方面增加10%，以便提高电池的容量。模型的建立主要分为两个过程，电池物理模型的建立主要包含电池的容量、尺寸、正负极的长度和活性物质的质量等参数，其次是建立成本的分析模型，Rebecca E. Ciez根据基于过程的成本分析模型（PBCM）建立了方形和圆柱形电池的成本模型。

影响锂离子电池成本的主要包含材料、设备、辅助设备、维护、人力、能源、建筑等因素，利用上述模型分析可以发现同样采用70微米电极和2GWh产量时，LMO材料的电池的单只成本是最低的，但是要考察每KWh的成本时，LMO材料反而要比NCA和NCM材料成本更高，LMO的成本约为440$/KWh，而NCA和NCM的成本则为276$/KWh和243$/KWh左右。而电极的厚度和电池的尺寸对电池的成本影响最为明显，提高电池的厚度可以显著的降低电池的成本，增大电池的尺寸，也能明显的降低电池的成本。

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对比材料和过程在电池成本中所占的成本发现，材料成本是最高的，约占整个电池成本的40%左右，其次是设备成本和人力成本。在材料成本中，有将近一半的费用是电池的结构成本，例如外壳、端子和密封件等，值得注意的是碳酸锂的价格对锂离子电池的成本影响微乎其微，即使碳酸锂的价格从7.5$/kg提高到25$/kg，锂离子电池的成本上涨幅度也不超过10%。利用上述成本模型对方形电池进行成本发现，在相同的容量下方形电池的成本要低于圆柱形电池，这主要得益于方形电池结构成本的降低。

上述成本模型分析可以得知，锂离子电池的材料对其成本具有重要的影响，虽然提高产量有助于降低生产成本，但是当年产量超过1GWh时，提升产量带来的成本降低就会非常轻微。电池结构成本也会对锂离子电池成本产生显著的影响，采用方形电池，由于设计的灵活性，可以大幅度的降低生产成本。

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Comparisonbetween cylindrical and prismatic lithium-ion cell costs using a process basedcost model, Journal of Power Source, 340(2017), Rebecca E. Ciez,  J.F. Whitacre

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