特斯拉为什么要使用 18650 规格的圆柱形锂离子电池?

【吴彬的回答(111票)】:

感谢邀请。

1. 首先做一个概念上的厘清：层叠式电池 vs. 聚合物电池 vs. 袋装电池

问题里提到了“层叠式（聚合物）锂离子电池”，请注意层叠式(Laminated)电池与聚合物(Polymer)电池是两个不同的概念。所谓聚合物电池是指内部含有聚合物或胶体电解质的电池，而传统的锂离子电池的电解质是溶解在液态电解液中的。所谓层叠式电池是指内部电极片与隔膜是一层一层堆叠起来的，与之相对应的是卷绕式电池的卷绕电芯（18650电池就是卷绕式电池）。一般聚合物电池都采用层叠式结构，因此也可称为层叠式电池。但是，由于层叠式电池也可以采用液态电解液，因此层叠式锂离子电池也可能不是聚合物锂离子电池。实际上，大部分电动汽车用的层叠式动力电池（Nissan LEAF，GM Volt等）都是液态电解液。之所以会产生这种混淆，大概是因为层叠式电池与聚合物电池一般都是用铝塑膜封装的，我们也称之为“袋装”（Pouch）电池。不过，袋装电池内部也有可能是卷绕式电芯。

聚合物电池现在似乎还没有应用在电动汽车上，我猜测主要原因可能是胶体电解质的导电性不太好，因此内阻较大。

2. Tesla为什么采用18650电池？

我在问题Tesla 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势？中提到过几个原因，在此展开论述。

a. 一致性

18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池，广泛应用在电子产品中，每年的出货量大约有几十亿节。多年来，日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的经验，使得产出的18650电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。

在与美国一位电池界教授交流的过程中，他半戏谑地说过一番话：如果你从日本某厂商直接购买了同一批次的电池，然后用你的电池充放电测试仪器去同时测试它们，如果发现不同通道测出的放电曲线不一样，你应该怀疑你的设备而不是电池的一致性。

相比之下，层叠式锂离子电池远远没有成熟（参见为什么电动车行业不推行标准化电池？），甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一，电池厂商所具备的经验也很不足，电池的一致性达不到18650电池的水准。如果电池的一致性达不到要求，大量电池串、并联形成的电池组的管理将是一场梦魇。

总结来说，18650电池的单体容量小（一般不会超过3 Ah），所需的单体数量会很多（Roadster有6831节），但是一致性很好；层叠式电池的容量可以做得较大（30 Ah甚至40 Ah），单体数量可以降低，但是一致性差。

Tesla不是一家电池厂商，它在电池生产技术方面不会有太多的积累，现阶段也很难投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善层叠式电池的生产工艺。因此，在研发Roadster和Model S的时候，Tesla的唯一选择是从市场上去购买电池，自行开发电池系统。开发一套管理6000多节单体一致性很好的电池系统与开发一套200多节一致性很差的电池系统，相比之下，前者的技术难度应该更低一些。即使单体电池数目增多，但是如果这些电池的性能是可靠的，管理起来还是容易一些。

对比另一款很成功的纯电动汽车，日产的LEAF，它采用的是层叠式锂离子电池。这是因为日产与NEC合作多年，在电池技术方面积累很深厚，在品质控制方面应该有相当的功力。LEAF的电池来自AESC，日产与NEC的合资公司。

对比下美、日、中等不同地区的汽车厂商在开发电动汽车时与电池厂商的合纵连横是一件非常有意思的事情。

b. 成本

Tesla采用18650电池，就可以利用日本松下等厂商之前的生产线进行生产。在消费类电子产品所用18650电池竞争日趋激烈的情况下，我想松下等厂商是非常乐意与Tesla合作升级产品，将原有的生产线改良后用于生产动力电池。

另外，工业生产有一个规模效应，当生产产品的规模达到一个量级之后，成本会大大降低。一辆Tesla就需要上千节18650电池，因此单体的采购价格应该可以压得比较低。

c. 散热能力

层叠式电池的厚度薄、表面大，均热、散热能力都不错，因此日产的LEAF很大胆地采用了被动式热管理系统（其实就是不管理！），由空气的自然对流将热量带走。LEAF的单体电池是这个样子的：

由四节单体电池两并两串组成的电池模块是这个样子的：

由48个电池模块串联组成的电池组是这个样子的：

可以看到，电池组上没有任何的风扇、冷却液管道等热管理系统。大概这就是无招胜有招。 可以看到，电池组上没有任何的风扇、冷却液管道等热管理系统。大概这就是无招胜有招。

反过来看Tesla，18650电池的个头比较小，在正常充放电时单体电池内部的温差也不会太大。但是，6000多个单体电池的温度也应当保持在不超过5°C的范围内，这是一件非常困难的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？参看Tesla 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势？

再放一张Tesla冷却系统的图，

这些管道是冷却液的流道，流道交叉布置的样子很像发动机的排气歧管，这是为了使得各路管道的流动阻力大致平衡。 这些管道是冷却液的流道，流道交叉布置的样子很像发动机的排气歧管，这是为了使得各路管道的流动阻力大致平衡。

总结来说，由于采用了小容量的18650电池，Tesla的热管理系统的复杂度是大大增加了的。也就是说，如果从散热能力方面考虑，使用小容量的18650电池不是最优选。

d. 能量密度

谈到能量密度，就必须区分单体电池的能量密度与电池组的能量密度。

就单体电池的能量密度来看，18650电池是要高于层叠式锂离子电池。我这里查到的日产LEAF所用的33 Ah锂离子电池的能量密度是157 Wh/kg，GM Volt所用的层叠式电池的能量密度约为150 Wh/kg；而Roadster所用的18650电池的能量密度约为211 Wh/kg。（注：Roadster和Volt都没有查到原装电池数据，我是根据相同电池厂商生产的相同容量的电池的数据计算得到的）

但是，18650电池的管理系统更加复杂，由此额外增加的重量会使得电池组的能量密度远低于单体的能量密度。Roadster的电池组重量是450 kg，能量密度是118 Wh/kg，而LEAF电池组的重量是225 kg，能量密度是107 Wh/kg。在电池组层次，两者的能量密度已经不相上下。

Model S的设计应当比Roadster优秀得多，但是这方面的资料我还没有收集到太多，现在还没有办法做分析。

e. 安全性

前面提到层叠式锂离子电池的各种优点，但它也有一些缺点。由于层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的，而铝塑膜的厚度薄，机械强度差，在汽车发生碰撞等极端情况下，铝塑膜很容易发生破损导致安全事故产生。这也就解释了为什么日产要在4个单体组成的电池模块外面再加一个铝壳。

18650电池一般是钢壳，安全性更好；而且前面也提到随着18650电池生产工艺水平的的不断提高，安全性也在不断提高。

Tesla在应对这些18650电池可能出现的安全事故上，也倾注了很多心血。如果一个单体电池出现温度过高等异常情况，根据异常情况的恶劣程度，这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。由于单体容量小，只要不发生蔓延，事故的严重程度将是较低的。

我认为，Tesla当时采用18650电池，的确是最优选择。但是，随着Tesla在电池领域的经验不断积累，他们应该会尝试其他构型的电池。

上面的内容包含了较多的个人猜测，如有不同意见，请讨论。

【玉箫沙的回答(26票)】:

聚合物电池的优点也就是形状可定制性高，“更轻便.寿命更长,更安全 ”这三个优点完全是楼主YY出来的吧？山寨的18650移动电源因为充放电控制电路质量低劣，比起自带充放电控制的聚合物移动电源要好，但是特斯拉拥有几乎世界最强的18650电池矩阵管理技术，比普通聚合物移动电源不知道高到哪里去了。18650电池能量密度大，寿命长，产量高，放电性能好，用在特斯拉上不是理所当然么。

其实影响电池安全性的最主要性质还是正极材料，特斯拉使用的钴酸锂确实比其他正极材料安全性差一些，但是他先进的管理技术和防火墙模块足以保证汽车的安全性了。而其他安全性高一些的正极材料能量密度大大低于钴酸锂，售价更高，会大大缩短续航里程，明显得不偿失。

【知乎用户的回答(13票)】:

其实答案很简单：是他们试出来的。

不光电池型号，就连电池数量，串并联模块的个数都是试出来的。

【知乎用户的回答(10票)】:

特斯拉的电池技术总监库尔特·科蒂（Kurt Kelty）表示，“我们也尝试了板型和方型电池，结果还是18650的能量密度更高”，此次采用的18650“电池单元的能量密度大约比Roadster高3成。而且，单元的排列方式对于安全性影响也颇大，另外还把18650电池单元之间的间隔也给做小了”。

特斯拉坚持不使用大容量电池单元，而是使用了小容量的18650。在该公司看来，这样不仅成本低，而且安全性好，一旦电池单元出现热失控，因为容量小，不容易影响到周围的电池单元。科蒂说道：“其实，18650有五个优点。但我们不想让其他企业知道，所以不便详谈。”另外，他的话中还透露出了该公司也在尝试其他方式，但目前还不打算更换的意思。

http://china.nikkeibp.com.cn/news/auto/62555-20120903.html

【Sephiroth的回答(0票)】:

同体积下18650转换效率，售价，技术成熟度综合指标最好？

【ArthurWang的回答(0票)】:

因为技术成熟而成本降低……当然没有比层叠式更低，但在技术成熟上足以弥补这一点。

比如说一致性问题上，理论讲当然是数量少更容易一致，层叠式电池容量大数量就会少，但实际上特斯拉也很好的解决了这个问题，就在于18650的成熟工艺，让其一致性爆表。随着层叠式的技术成熟，也有一天会达到18650的一致性，那么18650就没优势了。

当然，这也是听说，特斯拉使用的年头并不长，是否经得起考验还要看时间。

【十月浮生的回答(0票)】:

可靠性和安全性，成熟的东西才是可靠的。补充一下：国外汽车要经过2-3年的严格路试。

【华海良的回答(0票)】:

18650优点 ：1价格实惠 2能量密集度高

缺点：安全性略差(封装方式的原因单颗电池有爆炸的可能性)

锂聚合物电池优点：安全性高，不存在爆炸可能。

缺点：成本较高

正是由于以上因素所以小型电子设备正逐步替换为锂聚合物电池 一方面电子设备贴身使用，安全性要求更高，另一方面由于使用量小对整个电子设备成本影响较小。

但对于特斯拉来说电池组在车外，单颗电池爆炸并不会有太大的安全危险，同时由于使用了大量18650电池组成了电池阵列，总成本毫无疑问会比锂聚合物电池低很多，所以换作谁都会选择18650方案。

【徐佳琦的回答(0票)】:

聚合物电池只是不必做成圆滚滚的形状，像放在手机里可以做成一个大薄片。仅此而已，别的优点……没比普通锂电池强吧？

【黄禹铭的回答(0票)】:

还不是因为便宜

【之乎者也的回答(0票)】:

为什么不用更加好的材料去制作容量更大的蓄电池，比如：纳米纤维。

【谢彦的回答(0票)】:

因为，怕你开车在半路上万一没电了；你还能用你包里的18650锂电芯充电宝支持一会丫！

原文地址:知乎