鉅大LARGE | 點擊量：378次 | 2023年10月07日
解讀電動汽車動力鋰離子電池的現(xiàn)狀發(fā)展：無鈷/疊片/CTP
電動汽車誕生至今，已經(jīng)遇到了不少問題。前幾年，續(xù)航里程不足是電動汽車最大的痛點，過短的續(xù)航里程讓電動汽車看上去就像一個笑話。今朝，新款電動汽車的續(xù)航里程已經(jīng)普遍達到了500km，續(xù)航不再是問題，但是層出不窮的自燃甚至爆炸事故讓消費者對電動汽車望而卻步。今后幾年電動汽車還將面對更多的難題，比如充電速度，比如電池的廢物解決和回收利用。相信你一定發(fā)現(xiàn)了，電動汽車面對的這些問題全部都跟電池有關(guān)。業(yè)界已經(jīng)越來越清晰地認識到，制約電動汽車發(fā)展的最關(guān)鍵因素就是電池。
但是，提升電池的性能又談何容易。在2017年，工信部等有關(guān)部門聯(lián)合印發(fā)了《促使汽車動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動辦法》。在這份辦法中提出了幾個電池的發(fā)展目標：2020年動力鋰離子電池系統(tǒng)能量密度達到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下；2025年動力鋰離子電池單體能量密度達到500Wh/kg。如今三年已過，今朝電池的性能、成本距離2020年的目標還有不小的差距，2025年的目標更是遙不可及。這說明動力鋰離子電池技術(shù)的研發(fā)進度比行業(yè)優(yōu)秀專家的預(yù)期還要慢一些，其難度可想而知。
好在新能源已經(jīng)成為了大勢所趨，有越來越多的資金和人才正在進入這個范疇。在今年，汽車動力鋰離子電池行業(yè)出現(xiàn)了一些創(chuàng)新技術(shù)，為加速電池性能的提升帶來了一絲曙光。在這些新技術(shù)當中，有電池材料的創(chuàng)新，有加工工藝的創(chuàng)新，也有電芯成組技術(shù)的創(chuàng)新。
一、材料創(chuàng)新：無鈷電池降低成本
目前市場上主流的動力鋰離子電池有兩類：磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池。所謂的三元材料就是指鎳、鈷、錳這三種金屬元素。其中鈷是動力鋰離子電池正極材料中的緊要元素之一，不但可以穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，而且可以提高材料的循環(huán)和倍率性能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
但是，全球鈷的資源是比較稀缺的，每年鈷的產(chǎn)量約20萬噸，其中有50%左右是用在消費類電池上，比如手機、筆記本；有14%左右用于新能源汽車的動力鋰離子電池；其他的使用于核心范疇或者是范疇。隨著新能源汽車的迅猛發(fā)展，鈷的需求量也在繼續(xù)激增。倘若不考慮回收，2026年以后，鈷就將供不應(yīng)求。有限的鈷元素資源，無法支撐新能源汽車無限的發(fā)展空間。
電池技術(shù)有很多發(fā)展方向，包括高鎳、無鈷、富鋰錳基等等。在現(xiàn)階段，無鈷材料是一條能夠很快獲得成果的技術(shù)路線。目前無鈷電池的能量密度可以做到240-245Wh/kg，十分接近于目前商業(yè)化使用能量密度最高的NCM811三元鋰離子電池的水平。無鈷電池在抗過充能力、熱穩(wěn)定性、使用壽命、成本等方面都有分明的優(yōu)點。
在今年五月，蜂巢能源率先公布了2款基于無鈷材料的電芯產(chǎn)品。其中一款是基于VDA標準的590規(guī)格電芯，容量為115Ah，電芯的能量密度達到245wh/kg，它將在2021年六月份推向市場。另一款是適用于大模組的長電芯，容量226Ah，它將可以支持新車實現(xiàn)880km的續(xù)航里程，這款產(chǎn)品預(yù)計可以在2021年下半年實現(xiàn)量產(chǎn)。
無鈷電池相比三元電池最大的優(yōu)點在于成本和安全性。在成本方面，蜂巢能源的NMX無鈷電池材料成本可降低約10-15%；在熱穩(wěn)定性方面，無鈷電池輕松通過150℃的熱箱試驗，而三元電池在這樣的高溫下會起火。
二、加工工藝創(chuàng)新：疊片工藝提升性能
汽車動力鋰離子電池將朝著長電芯、大模組的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的卷繞方式電芯已經(jīng)不能滿足車規(guī)級動力電芯的形態(tài)要求，取而代之的是疊片工藝加工出來的電芯，由于疊片電芯尺寸靈活，不受卷繞卷針結(jié)構(gòu)的限制，層疊方式加工，極片的界面平整度高，在車規(guī)級動力電芯范疇將得到廣泛使用。
傳統(tǒng)的電池采用卷繞方式加工，對殼體空間的利用不夠充足，而且容易導(dǎo)致局部過熱。用疊片工藝加工的電池在能量密度、壽命、成本、安全性等方面都有一定的優(yōu)點，松下等行業(yè)巨頭均有在2022年之后導(dǎo)入疊片工藝的計劃，而蜂巢能源搶先一步已經(jīng)用上了疊片工藝。
疊片工藝面對的問題緊要在于設(shè)備、工藝、制造、效率等方面的瓶頸，導(dǎo)致單工位效率低，制造成本高。而蜂巢能源通過繼續(xù)的研發(fā)投入和技術(shù)攻關(guān)，目前已完成行業(yè)首例45°旋轉(zhuǎn)式高速疊片的開發(fā)與導(dǎo)入，疊片效率超出行業(yè)傳統(tǒng)疊片設(shè)備單工位效率的40%。正是這樣的優(yōu)點，讓蜂巢能源可以搶在行業(yè)巨頭之前使用疊片工藝。
在2020成都車展上，蜂巢能源展出了各種規(guī)格的高速疊片電池。相比同類型卷繞工藝電池，蜂巢能源的疊片電池能量密度提升5%，循環(huán)壽命提升10%，成本降低15%。
三、電芯成組技術(shù)創(chuàng)新：CTp提升能量密度
在汽車動力鋰離子電池范疇，有一個“成組效率”的概念。一般而言，數(shù)個單體電芯構(gòu)成一個電池模組，再由多個電池模組構(gòu)成電池組。從電芯到電池組，冷卻系統(tǒng)、線束等附件越來越多，占據(jù)了不小的重量和體積。所謂成組效率，就是指電芯的重量/體積與電池組的重量/體積之比。在電芯性能不變的前提下，成組效率越高，電池組的能量密度和體積密度就越高，性能就越強。
提升電池成組效率的最筆直途徑就是采用更大的電芯。從目前使用廣泛的VDA標準的電芯，到下一代的MEb標準電芯，一大變化就是電芯單體的長度大幅新增。有些電池廠商更加激進，推出了CTp（CellTopack）技術(shù)，即電芯筆直成組，跳過了電池模組的環(huán)節(jié)。在CTp電池包里，電芯的長度與電池包的寬度相當，可以達到1m以上，所以電芯的數(shù)量會大幅減少，整個電池包的能領(lǐng)密度大幅提升。
目前，寧德時代、蜂巢能源、比亞迪等電池廠商都退出了自己的CTp無模組電池技術(shù)。在年底應(yīng)當就會有采用CTp電池技術(shù)的新車上市了。
比亞迪/通用的電池技術(shù)
比亞迪刀片電池
在上半年，備受矚目的比亞迪“刀片電池”一步步揭開了深奧的面紗，它實際上是一種采用了CTp技術(shù)的磷酸鐵鋰離子電池。刀片電池保持了磷酸鐵鋰材料在安全性方面的優(yōu)點，通過CTp技術(shù)彌補了能量密度方面的短板，是一種性能比較全面的電池。
“刀片電池”這個名字比較形象的展現(xiàn)了比亞迪這種新型電池的外觀特點。從技術(shù)的角度來說，刀片電池本質(zhì)上是采用了CTp技術(shù)的磷酸鐵鋰離子電池。前面已經(jīng)解析了CTp無模組電池技術(shù)，這種技術(shù)能夠有效提升電池包的能量密度。
磷酸鐵鋰離子電池在前幾年曾經(jīng)占據(jù)了市場的主流，其優(yōu)點是安全性能好，但是能量密度和低溫性能不及三元鋰離子電池。由于新能源補貼跟電池包的能量密度掛鉤，所以磷酸鐵鋰離子電池逐漸被三元鋰離子電池取代。隨著補貼的逐步退出和電池安全問題日益突出，今朝磷酸鐵鋰離子電池有卷土重來的趨勢。CTp技術(shù)的使用讓磷酸鐵鋰離子電池的能量密度得到提升。
刀片電池的難點在于加工環(huán)節(jié)，要求在制造過程中保持極高的精度和速度，對極片的涂布和輥壓工藝帶來巨大的考驗。比亞迪通過寬幅技術(shù)，將最大涂布寬度做到1300mm，最大輥壓寬度做到1200mm。采用高速疊片辦法，將接近1米長的極片實現(xiàn)公差控制在±0.3mm以內(nèi)，并且單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。
CTp技術(shù)的引入讓比亞迪刀片電池的能量密度不輸三元鋰離子電池，而在安全性能方面，刀片電池保持了磷酸鐵鋰離子電池的優(yōu)點，在針刺、擠壓和爐溫探測中，刀片電池能夠做到不起火、不爆炸，這一點比三元電池要優(yōu)秀很多。同時，刀片電池的電芯強度和電池組的整體強度都很優(yōu)秀，刀片電池包的抗壓承受力可達445kN，相當于45噸卡車。
通用汽車Ultium電池系統(tǒng)
由于我國的新能源汽車前景看好，所以本土公司對新能源技術(shù)有很大的研發(fā)熱情。其實，這一趨勢不僅僅是我國的，更是全世界的，所以合資品牌、跨國公司也都投入重金研發(fā)電池技術(shù)。前不久通用汽車公布的UlTIum電池系統(tǒng)就是極具潛力的電池系統(tǒng)。
通用汽車在新能源范疇的技術(shù)儲備極為豐厚，這與它對研發(fā)的重視是分不開的。通用汽車在美國和我國都有獨立的電池試驗室，并設(shè)立了電池試制加工線，用于電池原型開發(fā)和各類型的實驗認證。所以，通用汽車有能力與供應(yīng)商合作開發(fā)電池。微藍車型的電芯在LG化學領(lǐng)先的技術(shù)辦法基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，采用了專屬配方與設(shè)計。
車用動力鋰離子電池的電芯緊要有三種：圓柱電池、方形電池、軟包電池。通用旗下的EV和pHEV車型全部采用來自LG化學的軟包電池作為電芯。同時，通用汽車還為電池包開發(fā)了具有專利的片層液冷技術(shù)，在技術(shù)方面亮點頗多。
通用汽車在今年三月份公布了全新UlTIum電池系統(tǒng)和第三代全球電動汽車平臺。UlTIum電池系統(tǒng)采用了高度模塊化的設(shè)計，擁有靈活的排布方式，可以適配多種車型。基于UlTIum電池系統(tǒng)打造的模塊化電動汽車平臺是通用汽車的第三代全球電動汽車平臺，該平臺可以為電動汽車供應(yīng)高達650km的續(xù)航里程、最快3s的百公里加速、多種驅(qū)動方式。
全新Ultium電池系統(tǒng)是新平臺的核心，它有多種布置方式，有利于優(yōu)化電池能量儲存與整車布局，其容量從50kWh至200kWh不等。在電芯技術(shù)方面，通用汽車與LG化學成立合資公司共同研發(fā)和加工電芯，采用鈷含量較低的專利化學配方，技術(shù)和加工工藝的不斷沖破有望進一步降低電池成本，達到100美元/kWh以下。
編輯點評：電池是電動汽車的基礎(chǔ)，全行業(yè)都對電池技術(shù)的沖破翹首以盼。不過，技術(shù)的發(fā)展往往是漸進，而不是跨過的，電池的性能會通過技術(shù)創(chuàng)新一點點地提升。也許你對今朝的電池有些失望，但是五年之后回頭看，我們一定會驚嘆于技術(shù)的進步。
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