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解讀電動汽車動力鋰電池的現狀發展:無鈷/疊片/CTP

鉅大LARGE  |  點擊量:73次  |  2020年09月01日  

摘要
電動汽車誕生至今,已經遇到了不少問題。前幾年,續航里程不足是電動汽車最大的痛點,過短的續航里程讓電動汽車看上去就像一個笑話?,F在,新款電動汽車的續航里程已經普遍達到了500km,續航不再是問題,但是層

電動汽車誕生至今,已經遇到了不少問題。前幾年,續航里程不足是電動汽車最大的痛點,過短的續航里程讓電動汽車看上去就像一個笑話?,F在,新款電動汽車的續航里程已經普遍達到了500km,續航不再是問題,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,比如電池的廢物處理和回收利用。相信你一定發現了,電動汽車面對的這些問題全部都跟電池有關。業界已經越來越清晰地認識到,制約電動汽車發展的最關鍵因素就是電池。


但是,提升電池的性能又談何容易。在2017年,工信部等有關部門聯合印發了《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》。在這份方法中提出了幾個電池的發展目標:2020年動力鋰電池系統能量密度達到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下;2025年動力鋰電池單體能量密度達到500Wh/kg。如今三年已過,現在電池的性能、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。這說明動力鋰電池技術的研發進度比行業優秀專家的預期還要慢一些,其難度可想而知。


好在新能源已經成為了大勢所趨,有越來越多的資金和人才正在進入這個領域。在今年,汽車動力鋰電池行業出現了一些創新技術,為加速電池性能的提升帶來了一絲曙光。在這些新技術當中,有電池材料的創新,有生產工藝的創新,也有電芯成組技術的創新。


一、材料創新: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。其中鈷是動力鋰電池正極材料中的重要元素之一,不但可以穩定材料的層狀結構,而且可以提高材料的循環和倍率性能。


但是,全球鈷的資源是比較稀缺的,每年鈷的產量約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電池;其他的應用于核心領域或者是軍工領域。隨著新能源汽車的迅猛發展,鈷的需求量也在持續激增。假如不考慮回收,2026年以后,鈷就將供不應求。有限的鈷元素資源,無法支撐新能源汽車無限的發展空間。


電池技術有很多發展方向,包括高鎳、無鈷、富鋰錳基等等。在現階段,無鈷材料是一條能夠很快獲得成果的技術路線。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化應用能量密度最高的NCM811三元鋰離子電池的水平。無鈷電池在抗過充能力、熱穩定性、使用壽命、成本等方面都有明顯的優勢。


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品。其中一款是基于VDA標準的590規格電芯,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880km的續航里程,這款產品預計可以在2021年下半年實現量產。


無鈷電池相比三元電池最大的優勢在于成本和安全性。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%;在熱穩定性方面,無鈷電池輕松通過150℃的熱箱實驗,而三元電池在這樣的高溫下會起火。


二、生產工藝創新:疊片工藝提升性能


汽車動力鋰電池將朝著長電芯、大模組的方向發展,傳統的卷繞方式電芯已經不能滿足車規級動力電芯的形態要求,取而代之的是疊片工藝生產出來的電芯,由于疊片電芯尺寸靈活,不受卷繞卷針結構的限制,層疊方式生產,極片的界面平整度高,在車規級動力電芯領域將得到廣泛應用。


傳統的電池采用卷繞方式生產,對殼體空間的利用不夠充分,而且容易導致局部過熱。用疊片工藝生產的電池在能量密度、壽命、成本、安全性等方面都有一定的優勢,松下等行業巨頭均有在2022年之后導入疊片工藝的計劃,而蜂巢能源搶先一步已經用上了疊片工藝。


疊片工藝面對的問題重要在于設備、工藝、制造、效率等方面的瓶頸,導致單工位效率低,制造成本高。而蜂巢能源通過持續的研發投入和技術攻關,目前已完成行業首例45°旋轉式高速疊片的開發與導入,疊片效率超出行業傳統疊片設備單工位效率的40%。正是這樣的優勢,讓蜂巢能源可以搶在行業巨頭之前應用疊片工藝。


在2020成都車展上,蜂巢能源展出了各種規格的高速疊片電池。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%,循環壽命提升10%,成本降低15%。


三、電芯成組技術創新:CTp提升能量密度


在汽車動力鋰電池領域,有一個“成組效率”的概念。一般而言,數個單體電芯構成一個電池模組,再由多個電池模組構成電池包。從電芯到電池包,冷卻系統、線束等附件越來越多,占據了不小的重量和體積。所謂成組效率,就是指電芯的重量/體積與電池包的重量/體積之比。在電芯性能不變的前提下,成組效率越高,電池包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直接途徑就是采用更大的電芯。從目前應用廣泛的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,即電芯直接成組,跳過了電池模組的環節。在CTp電池組里,電芯的長度與電池組的寬度相當,可以達到1m以上,所以電芯的數量會大幅減少,整個電池組的能領密度大幅提升。


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。在年底應該就會有采用CTp電池技術的新車上市了。


比亞迪/通用的電池技術


比亞迪刀片電池


在上半年,備受矚目的比亞迪“刀片電池”一步步揭開了神秘的面紗,它實際上是一種采用了CTp技術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勢,通過CTp技術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了比亞迪這種新型電池的外觀特點。從技術的角度來說,刀片電池本質上是采用了CTp技術的磷酸鐵鋰離子電池。前面已經介紹了CTp無模組電池技術,這種技術能夠有效提升電池組的能量密度。


磷酸鐵鋰離子電池在前幾年曾經占據了市場的主流,其優勢是安全性能好,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組的能量密度掛鉤,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,現在磷酸鐵鋰離子電池有卷土重來的趨勢。CTp技術的應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生產環節,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,將最大涂布寬度做到1300mm,最大輥壓寬度做到1200mm。采用高速疊片方法,將接近1米長的極片實現公差控制在±0.3mm以內,并且單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。


CTp技術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勢,在針刺、擠壓和爐溫測試中,刀片電池能夠做到不起火、不爆炸,這一點比三元電池要優秀很多。同時,刀片電池的電芯強度和電池包的整體強度都很優秀,刀片電池組的抗壓承受力可達445kN,相當于45噸卡車。


通用汽車Ultium電池系統


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有很大的研發熱情。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電池技術。前不久通用汽車公布的UlTIum電池系統就是極具潛力的電池系統。


通用汽車在新能源領域的技術儲備極為豐厚,這與它對研發的重視是分不開的。通用汽車在美國和我國都有獨立的電池實驗室,并設立了電池試制生產線,用于電池原型開發和各類型的試驗認證。所以,通用汽車有能力與供應商合作開發電池。微藍車型的電芯在LG化學領先的技術方法基礎上進一步優化,采用了專屬配方與設計。


車用動力鋰電池的電芯重要有三種: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,通用汽車還為電池組開發了具有專利的片層液冷技術,在技術方面亮點頗多。


通用汽車在今年三月份公布了全新UlTIum電池系統和第三代全球電動汽車平臺。UlTIum電池系統采用了高度模塊化的設計,擁有靈活的排布方式,可以適配多種車型?;赨lTIum電池系統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高達650km的續航里程、最快3s的百公里加速、多種驅動方式。


全新Ultium電池系統是新平臺的核心,它有多種布置方式,有利于優化電池能量儲存與整車布局,其容量從50kWh至200kWh不等。在電芯技術方面,通用汽車與LG化學成立合資公司共同研發和生產電芯,采用鈷含量較低的專利化學配方,技術和生產工藝的不斷突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,全行業都對電池技術的突破翹首以盼。不過,技術的發展往往是漸進,而不是跨越的,電池的性能會通過技術創新一點點地提升。也許你對現在的電池有些失望,但是五年之后回頭看,我們一定會驚嘆于技術的進步。


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