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汽车动力电池的新发展:无钴电池,叠片工艺和CTP技术

好运彩嘉峪好运彩网站 网        2020-08-31 22:48

 
在今年,汽车动力电池行业出现了一些创新技术,为加速电池性能的提升带来了一丝曙光。
 
电动汽车诞生至今,已经遇到了不少问题。前几年,续航里程不足是电动汽车最大的痛点,过短的续航里程让电动汽车看上去就像一个笑话。现在,新款电动汽车的续航里程已经普遍达到了500km,续航不再是问题,但是层出不穷的自燃甚至爆炸事故让消费者对电动汽车望而却步。今后几年电动汽车还将面临更多的难题,比如充电速度,比如电池的废物处理和回收利用。相信你一定发现了,电动汽车面临的这些问题全部都跟电池有关。业界已经越来越清晰地认识到,制约电动汽车发展的最关键因素就是电池。
 
但是,提升电池的性能又谈何容易。在2017年,工信部等有关部门联合印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》。在这份方案中提出了几个电池的发展目标:2020年动力电池系统能量密度达到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下;2025年动力电池单体能量密度达到500Wh/kg。如今三年已过,现在电池的性能、成本距离2020年的目标还有不小的差距,2025年的目标更是遥不可及。这说明动力电池技术的研发进度比行业顶尖专家的预期还要慢一些,其难度可想而知。
 
好在新能源已经成为了大势所趋,有越来越多的资金和人才正在进入这个领域。在今年,汽车动力电池行业出现了一些创新技术,为加速电池性能的提升带来了一丝曙光。在这些新技术当中,有电池材料的创新,有生产工艺的创新,也有电芯成组技术的创新。
 
一、材料创新:无钴电池降低成本
 
目前市场上主流的动力锂电池有两类:磷酸铁锂电池和三元锂电池。所谓的三元材料就是指镍、钴、锰这三种金属元素。其中钴是动力电池正极材料中的重要元素之一,不但可以稳定材料的层状结构,而且可以提高材料的循环和倍率性能。
 
但是,全球钴的资源是比较稀缺的,每年钴的产量约20万吨,其中有50%左右是用在消费类电池上,比如手机、笔记本;有14%左右用于新能源汽车的动力电池;其他的应用于核心领域或者是军工领域。随着新能源汽车的迅猛发展,钴的需求量也在持续激增。如果不考虑回收,2026年以后,钴就将供不应求。有限的钴元素资源,无法支撑新能源汽车无限的发展空间。
 
电池技术有很多发展方向,包括高镍、无钴、富锂锰基等等。在现阶段,无钴材料是一条能够很快获得成果的技术路线。目前无钴电池的能量密度可以做到240-245Wh/kg,十分接近于目前商业化应用能量密度最高的NCM811三元锂电池的水平。无钴电池在抗过充能力、热稳定性、使用寿命、成本等方面都有明显的优势。
 
在今年5月,蜂巢能源率先发布了2款基于无钴材料的电芯产品。其中一款是基于VDA标准的590规格电芯,容量为115Ah,电芯的能量密度达到245wh/kg,它将在2021年6月份推向市场 。另一款是适用于大模组的长电芯,容量226Ah,它将可以支持新车实现880km的续航里程,这款产品预计可以在2021年下半年实现量产。
 
无钴电池相比三元电池最大的优势在于成本和安全性。在成本方面,蜂巢能源的NMX无钴电池材料成本可降低约10-15%;在热稳定性方面,无钴电池轻松通过150℃的热箱实验,而三元电池在这样的高温下会起火。
 
二、生产工艺创新:叠片工艺提升性能
 
汽车动力电池将朝着长电芯、大模组的方向发展,传统的卷绕方式电芯已经不能满足车规级动力电芯的形态要求,取而代之的是叠片工艺生产出来的电芯,由于叠片电芯尺寸灵活,不受卷绕卷针结构的限制,层叠方式生产,极片的界面平整度高,在车规级动力电芯领域将得到广泛应用。
 
传统的电池采用卷绕方式生产,对壳体空间的利用不够充分,而且容易导致局部过热。用叠片工艺生产的电池在能量密度、寿命、成本、安全性等方面都有一定的优势,松下等行业巨头均有在2022年之后导入叠片工艺的计划,而蜂巢能源抢先一步已经用上了叠片工艺。
 
叠片工艺面临的问题主要在于设备、工艺、制造、效率等方面的瓶颈,导致单工位效率低,制造成本高。而蜂巢能源通过持续的研发投入和技术攻关,目前已完成行业首例45°旋转式高速叠片的开发与导入,叠片效率超出行业传统叠片设备单工位效率的40%。正是这样的优势,让蜂巢能源可以抢在行业巨头之前应用叠片工艺。
 
在2020成都车展上,蜂巢能源展出了各种规格的高速叠片电池。相比同类型卷绕工艺电池,蜂巢能源的叠片电池能量密度提升5%,循环寿命提升10%,成本降低15%。
 
三、电芯成组技术创新:CTP提升能量密度
 
在汽车动力电池领域,有一个“成组效率”的概念。一般而言,数个单体电芯构成一个电池模组,再由多个电池模组构成电池包。从电芯到电池包,冷却系统、线束等附件越来越多,占据了不小的重量和体积。所谓成组效率,就是指电芯的重量/体积与电池包的重量/体积之比。在电芯性能不变的前提下,成组效率越高,电池包的能量密度和体积密度就越高,性能就越强。
 
提升电池成组效率的最直接途径就是采用更大的电芯。从目前应用广泛的VDA标准的电芯,到下一代的MEB标准电芯,一大变化就是电芯单体的长度大幅增加。有些电池厂商更加激进,推出了CTP(Cell To Pack)技术,即电芯直接成组,跳过了电池模组的环节。在CTP电池组里,电芯的长度与电池组的宽度相当,可以达到1m以上,所以电芯的数量会大幅减少,整个电池组的能领密度大幅提升。
 
目前,宁德时代、蜂巢能源、比亚迪等电池厂商都退出了自己的CTP无模组电池技术。在年底应该就会有采用CTP电池技术的新车上市了。
 
比亚迪/通用的电池技术
 
在上半年,备受瞩目的比亚迪“刀片电池”一步步揭开了神秘的面纱,它实际上是一种采用了CTP技术的磷酸铁锂电池。刀片电池保持了磷酸铁锂材料在安全性方面的优势,通过CTP技术弥补了能量密度方面的短板,是一种性能比较全面的电池。
 
“刀片电池”这个名字比较形象的展现了比亚迪这种新型电池的外观特点。从技术的角度来说,刀片电池本质上是采用了CTP技术的磷酸铁锂电池。前面已经介绍了CTP无模组电池技术,这种技术能够有效提升电池组的能量密度。
 
磷酸铁锂电池在前几年曾经占据了市场的主流,其优势是安全性能好,但是能量密度和低温性能不及三元锂电池。由于新能源补贴跟电池组的能量密度挂钩,所以磷酸铁锂电池逐渐被三元锂电池取代。随着补贴的逐步退出和电池安全问题日益突出,现在磷酸铁锂电池有卷土重来的趋势。CTP技术的应用让磷酸铁锂电池的能量密度得到提升。
 
刀片电池的难点在于生产环节,要求在制造过程中保持极高的精度和速度,对极片的涂布和辊压工艺带来巨大的考验。比亚迪通过宽幅技术,将最大涂布宽度做到1300mm,最大辊压宽度做到1200mm。采用高速叠片方案,将接近1米长的极片实现公差控制在±0.3mm以内,并且单片叠片效率在0.3s/pcs的精度和速度。
 
CTP技术的引入让比亚迪刀片电池的能量密度不输三元锂电池,而在安全性能方面,刀片电池保持了磷酸铁锂电池的优势,在针刺、挤压和炉温测试中,刀片电池能够做到不起火、不爆炸,这一点比三元电池要优秀很多。同时,刀片电池的电芯强度和电池包的整体强度都很优秀,刀片电池组的抗压承受力可达445kN,相当于45吨卡车。
 
由于中国的新能源汽车前景看好,所以本土企业对新能源技术有很大的研发热情。其实,这一趋势不仅仅是中国的,更是全世界的,所以合资品牌、跨国公司也都投入重金研发电池技术。前不久通用汽车发布的Ultium电池系统就是极具潜力的电池系统。
 
通用汽车在新能源领域的技术储备极为丰厚,这与它对研发的重视是分不开的。通用汽车在美国和中国都有独立的电池实验室,并设立了电池试制生产线,用于电池原型开发和各类型的试验认证。所以,通用汽车有能力与供应商合作开发电池。微蓝车型的电芯在LG化学领先的技术方案基础上进一步优化,采用了专属配方与设计。
 
车用动力电池的电芯主要有三种:圆柱电池、方形电池、软包电池。通用旗下的EV和PHEV车型全部采用来自LG化学的软包电池作为电芯。同时,通用汽车还为电池组开发了具有专利的片层液冷技术,在技术方面亮点颇多。
 
通用汽车在今年3月份发布了全新Ultium电池系统和第三代全球电动车平台。Ultium电池系统采用了高度模块化的设计,拥有灵活的排布方式,可以适配多种车型。基于Ultium电池系统打造的模块化电动车平台是通用汽车的第三代全球电动车平台,该平台可以为电动汽车提供高达650km的续航里程、最快3s的百公里加速、多种驱动方式。
 
全新Ultium电池系统是新平台的核心,它有多种布置方式,有利于优化电池能量储存与整车布局,其容量从50kWh至200kWh不等。在电芯技术方面,通用汽车与LG化学成立合资公司共同研发和生产电芯,采用钴含量较低的专利化学配方,技术和生产工艺的不断突破有望进一步降低电池成本,达到100美元/kWh以下。
 
电池是电动汽车的基础,全行业都对电池技术的突破翘首以盼。不过,技术的发展往往是渐进,而不是跨越的,电池的性能会通过技术创新一点点地提升。也许你对现在的电池有些失望,但是五年之后回头看,好运彩网址一定会惊叹于技术的进步。
 
汽车动力电池的新发展:无钴电池,叠片工艺和CTP技术
 
 
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来源:爱卡汽车