宁德时代“麒麟电池”欲问鼎? 且看整车企业电池反击战

来源:搜狐新闻 | 2022-06-30 14:38 | 作者:刘彤楠

  电动汽车生存之战,从动力电池争锋开始。

  3年前,宁德时代凭借“无模组电池包CTP”问鼎,电池体积利用率首次超过了50%。次年,比亚迪和特斯拉分别推出“刀片电池”、“4680电池”,将体积利用率提升到60%以上,扳回一局。而今6月,宁德时代发布第3代CTP电池“麒麟”,以高出4680电池13%的能量密度又欲问鼎?前日,广汽集团推出“超能铁锂电池技术”,4000次循环下电池容量保持率在80%以上,数据赶超比亚迪“刀片”,不逊于“麒麟”。

  电池技术竞赛是一场“由内到外”的攻坚战,电池材料短期内难有根本性突破,整车企业及电池厂聚焦电池技术和产业链之争,难分胜负。而目前较为确定的是,固态电池有望成为下一个技术高点,软包作为与之*匹配的封装技术,是电池工艺的未来。

  电池结构创新竞技 车企各显神通

  性能提升和成本降低,是电池的长久命题。随着电池材料技术迭代趋缓、原料涨价,电池结构创新成为车企的重要抓手之一。

  在有限的底盘空间中,*大限度提升电池的体积利用率,就能使用更高压的平台。在等体积下,*大限度提升能量密度,关系着电动汽车续航能力、快充速度及性能表现。

  宁德时代*新发布的CTP3.0“麒麟电池”,电池包性能全面提升,预计2023年量产。

  完全取消模组形态设计,并通过冷却结构优化,“麒麟电池”体积利用率提升至72%。同时,搭配三元锂电芯系统,电池包能量密度可达255Wh/kg,并支持4C充电倍率,让电动车轻松实现1000km续航。宁德时代首席科学家吴凯表示:“在相同的化学体系、同等电池包尺寸下,麒麟电池包的电量,相比4680系统可以提升13%”。

  宁德时代点名的特斯拉“4680电池”,被认为是兼顾性能和成本的革命性突破,使整车续航里程提升16%的同时,节省86%的成本。

  4680电池是电芯直径46mm、高度80mm的NCM三元锂圆柱形电池。性能方面,它的“无极耳”设计降低了电池的阻抗,改善了圆柱电池的发热问题,同时,干电池工艺提高了电池能量密度,生产能耗降低10倍。成本方面,阳极采用硅材料,使电池的续航能力增加20%;阴极生产过程的改进,降低了电池阴极生产线66%的投资建设成本和76%的生产成本。

特斯拉圆柱电池

  高能量密度的三元锂材料是大众之选,而比亚迪的“刀片电池”采用磷酸铁锂材料,走了少有人走的路,却是开创之路。

  单体电芯通过阵列的方式排布在一起,如“刀片”模样直接插入电池包,“刀片电池”由此命名。刀片电池在成组时跳过电池模组,减少了冗余零部件,电池的体积利用率得以提升到66%,能量密度提升至150Wh/kg,不仅达到了和三元锂电池同等水平,同时兼具磷酸铁锂材料的高安全性和低成本。

比亚迪“刀片电池”

  同样布局磷酸铁锂电池的还有广汽集团,产品直接对标比亚迪的“刀片电池”。

  前日,广汽发布的“微晶超能铁锂电池”,在磷酸铁锂电池中引入第二相正极微晶,将电池的单体质量能量密度提升13%,体积能量密度提升20%,电池的低温性能和充电时间也有提升。与此同时,超能铁锂电池在循环4000次后的容量保持率可达80%以上,电池寿命可达150万公里,数据上远超刀片电池。

  除此之外,上汽集团也加速电池结构创新布局,推出的“魔方电池”已在全新纯电动车型MG MULAN上搭载。“魔方电池”创新地采用了LBS躺式电芯和先进CTP技术,让电芯“躺平”后的电池整包厚度低至110mm,极大地增加了整车的空间利用率,且支持换电,可缓解电池里程焦虑。

  改变电池结构,让电池产品的参数更为出色。但若要实现大规模量产及使用,还要回归到*开始的电池材料技术和成本问题上。

  电池材料在短期内难有根本性突破

  目前,锂离子电池技术*为先进,已被广泛用于电动汽车。

  根据正极材料的不同,锂离子电池可分为三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池。

  考虑安全性及续航能力,磷酸铁锂及三元锂离子更适合用于电动汽车,两者之争已是老生常谈。简单来说,磷酸铁锂电池便宜、耐用、较安全,而三元锂电池储电多、续航能力更强。对于看重续航能力的新能源车企来说,三元锂电池是大众之选。

  三元锂电池的“三元”是指镍、钴、锰三种金属元素,“镍”主管电池容量,“钴”主管电池寿命、而“锰”主管电池稳定,三种元素比例可按需调整。

  “镍”是提高电池续航能力关键,而稀有元素“钴”价格不断攀升,*高可达35万元一吨,降低钴元素含量,是降低电池成本的关键。同时,国内新能源汽车补贴政策关联能量密度,高能量密度的高镍电池更“吃香”。

  于是,“增镍降钴”成为三元锂电池的突破方向,从而产生了一系列NCM三元材料。主流的NCM523、NCM622镍比例分别为60%、80%,钴比例为30%、20%,而后发展到NCM811,镍比例攀升至80%,能量密度可达190mAh/kg,钴比例仅10%,成为了大多数车企的*佳选择。

  但是,高镍NCM811存在“稳定性差”的安全隐患,还未能大规模使用。据相关研究显示,NCM532、NCM622和NCM811从层状相到尖晶石相的相转变温度分别为235℃、185℃和135℃,热稳定性呈现急剧降低的趋势,在循环充放电以及高温下,电池容量会加速衰减,电池的使用寿命也随之下降,同时还会产生热失控的自燃风险。

  今年4月以来,搭载NCM811电池的广汽Aion S、吉利帝豪EV均发生多起自燃事故,使得广汽新能源和吉利不得不回归到NCM523电池的使用。

  除了NCM三元材料系列,用Al(过渡金属)代替锰,组成了“NCA镍钴铝材料”,可一定程度增强材料的稳定性,提高材料的循环性能。但同样作为高镍材料,NCA也存在热稳定性较差的安全问题。

  特斯拉电动车事故频发的主要原因之一,就在于其使用了NCA电池,实现高续航能力的背后,也承担着高镍电池的热失控风险。

  但高镍电池技术也有一定进步,长城汽车的“大禹电池”,为高镍NCM811带来了场“及时雨”。4层5维底层安全矩阵,实现不同化学体系电芯和不同规格电池包的热失控安全防护,有效保证动力电池正常生命周期内不起火不爆炸,是高镍电池安全性提升的有效解决方案。

  整体来看,三元锂电池有着更好的综合性能,但正级材料单体能量密度已经接近极限,再考虑到安全性,短期内难有突破。而固态电池的出现,有望从锂离子电池形态入手,解决一些难题。

  固态电池或成为电池技术高点

  众所周知,电池通过正负极材料在电解液中相互交换离子发电。在工作过程中,相较正负极材料,电解液更易受到温度、外界压力的影响,而将电解液形态改为固态,是一个提升电池性能和安全性的方案。

  固态电池采用玻璃、陶瓷或其他材料形式的固态电解质,让电池内部更紧密,体积更小,可将能量密度提升至500Wh/KG。

  不仅如此,固态电池也可避免热失控和电解液泄露等安全隐患,还没有腐蚀性,使用寿命更长。固态电池的众多优势,吸引了宁德时代、赣锋锂业、比亚迪、辉能、清陶能源、卫蓝能源等企业争相研发。

液态电池 vs. 固态电池

  但是,固态电池难以薄化,使用的部分稀有金属成本高昂,工艺难度大,研发周期也长。宁德时代与大众、福特、宝马等众多车企一致认为,到2025年,甚至2030年前,才可开启全固态电池产业化,液态电解质锂离子电池仍是主流。

  不过,业内也找到了折中方案,即半固态电池。半固态电池一侧电极不含液体电解质,另一侧电极含有液态电解质的电池,或单体中固体电解质质量或体积占单体中电解质总质量或总体积之比的一半。

  半固态电池可兼顾液态电池和全固态电池的性能优势,*大程度兼容现有工艺、设备及材料,具备快速落地的可能。

  今年1月,由东风公司与赣锋锂业合作开发的首批50辆东风-赣锋高比能固态(实为半固态)电池车,在江西省新余市完成交付。3月份,在中国电动汽车百人论坛上,卫蓝新能源透露,计划基于蔚来ET7车型推出单次充电续航1000公里的混合固液电解质电池。

  理论上来说,固态电池是优于三元锂电池、磷酸铁锂电池的更佳选项。中国电动汽车百人会副理事长、中国科学院院士欧阳明高表示:全固态电池是一个汽车厂商理想的电池。可以把它当成一个机电产品来看,而不是一个化工产品。叠片、软包加外力,我们不需要焊了之后回收,就非常方便,这就是面向回收的设计。

  固态电池技术仍在全力突破,但有一个方向比较确定,就是包装方式。

  软包是工艺的未来

  “将来做到全固态电池以后,电池在充放电过程中基于膨胀和收缩有可能需要一定的外力来加持,我们认为铝塑软包这个电池对于全固态来讲可能更有优势一些。” 卫蓝新能源科技有限公司董事长兼总经理俞会根在6月“云上宜宾”活动提到。

  传统的锂电池和固态电池包装,有软包、方形和圆柱三种工艺。不同包装方式制作工序也不同,圆柱、方向电池主要采用卷绕工艺,而软包电池采用的是叠片工艺。

  软包电池在能量密度、安全性和制造工艺上,较圆柱、方形电池有显著优势:① 制造工艺采用叠片设计,内部变形、弯曲或断裂的概率低;② 壳体采用不坚硬的铝塑膜,若电池热失控,铝塑膜破裂时可带走大量的热量,避免爆炸;③ 铝塑膜外壳质量较轻,在同等容量下,使得整个电池重量轻20%~40%,能量密度高40%。

软包电池

  孚能科技董事长兼CEO王瑀对软包电池倍加青睐:“圆柱、方壳、软包从这三种方向来说,理论上讲肯定软包电池是*佳的选择。所有的壳体都是无效的,都要占有效的体积、成本,*后的发展都要把它去掉。到了固态电池的时候,或者就没有包装,或者就是软包装。”车企方面,大众、奔驰、通用、现代、福特等也纷纷使用软包电池配置多款主流车型。

  锂电池的技术突破是一场持久战,电池技术是台面之争。想要撑得起台面,还要有稳定的电池供应链,以获得电动汽车竞技赛的持续驱动力。

  车企自建、合建、入股电池厂 争取动力电池主动权

  目前,车企比较依赖电池供应商,以宁德时代为代表的电池企业包揽了国内新能源车企的大部分电池“生意”。但高采购成本实为负担,与其拓宽外采渠道,不如自建工厂实现内供,一些实力非凡的车企,正在自主布局电池产业链。

  据公开资料整理结果来看,约2成车企自建电池厂,掌握主动权。特斯拉在美国、德国自建工厂,已实现4680电池规模化量产;比亚迪自建弗迪电池厂,生产的“刀片电池”在4月磷酸铁锂电池市场市占率反超“宁王”;长城汽车通过孵化蜂巢能源,可实现电池的自产自供及外销。

  约4成车企采用“自建+合建”方式,保证电池供应渠道,稳定成本。宝马、东风、吉利、广汽依赖宁德时代,丰田和松下绑定较紧密,福特和SK On紧密合作。有“自建底气”的多为海内外实力深厚的主流车企,与其共创的电池企业也实力不俗。

  另有4成车企选择与电池厂“合建”,快速进入电动汽车市场。沃尔沃、本田、长安、江淮与独家电池厂合作;现代、上汽、一汽、北汽引入更多的电池合作伙伴,分散电产能和成本压力;理想、小鹏选择入股黑马电池企业欣旺达,绑定优质电池供应商。

  一边打着电池技术的攻坚战,一边在电池产业链竞技赛驰骋,电池厂商和车企的博弈从未停止,未有持久的赢家,也难言败者的定局,中国电动汽车江湖正百花齐放。

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