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刀片电池、麒麟电池、4680电池,一文看懂动力电池新技术

各种电池技术路线泾渭分明,百花齐放。

文|上海汽车报

电动汽车时代的到来,让电池变得越来越重要。电池行业呈现出了蓬勃发展的态势,不仅产能快速提升,迎来TWh时代。更重要的是,新技术的推陈出新不断打破人们过去的认知边界,实现新的突破。

在2022电动汽车百人会上,各种电池技术路线泾渭分明,百花齐放。大圆柱46系列电池被松下、亿纬锂能和比克等企业热捧,宁德时代发布麒麟电池,Apollo混合液态锂金属电池处于样品开发阶段……

磷酸铁锂电池VS三元锂电池

两款电池的负极、电解液及隔膜等均类似,最大的区别在于正极材料,并以此命名。三元锂电池有NCM和NCA两种类型。NCA镍钴铝电池主要应用于圆柱电池系列。而国内绝大部分车型采用NCM镍钴锰电池。三元常见的表达方式是在NCM后加一串数字,例如NCM523、NCM811等,代表了镍、钴、锰在电池材料中的占比。从NCM523到NCM811,高镍低钴甚至无钴化趋势越发明显。

受结构影响,磷酸铁锂(LFP)和三元锂电池在性能方面各有优劣。从电芯层面来讲,三元锂电池能量密度更高。三元NCM电池还可以通过提高Ni元素比例,进一步提高实际比容量(mAh/g),从而提高电芯能量密度。磷酸铁锂电池在安全方面具有无可比拟的优势,正极电压低,不存在类似于三元锂电池的释氧热链式反应,热稳定温度可以达到300℃以上,而三元锂电池在150-200℃之间。成本上,磷酸铁锂有明显优势,原材料价格相对便宜。粗略比较,磷酸铁锂价格要比三元锂电池便宜0.1~0.2元/Wh。对于一个50kWh电池包,仅电芯就可降本0.5万~1万元。

简单来说,三元锂电池在能量密度、快充速度方面有优势,磷酸铁锂电池在循环寿命、安全、经济性上有优势。

比亚迪 “刀片电池”

2020年3月,比亚迪正式发布刀片电池,并首先搭载于“汉”车型。所谓的“刀片电池”,实际上是比亚迪的新一代磷酸铁锂电池,也被称为超级磷酸铁锂电池。之所以被命名为“刀片电池”,主要是因为电池单元的配置像“刀片”一样插入到电池组中。“刀片电池”采用长度在0.6米以上的大电池单元,可以无模块直接集成到电池组CTP(Cell to PACK)中,从而达成在相同的空间内装入更多电芯的设计目标,大幅提高了电池组的空间利用率(50%以上)。也就是说,车辆续航里程可提升50%以上,达到了高能量密度三元锂电池的同等水平。另外,“刀片电池”的单元具有更大的散热面积,使得它在短路时产热少、散热快。

宁德时代“麒麟电池”

宁德时代通过不断进行技术迭代,推出了第三代CTP技术,内部称其为“麒麟电池”,系统重量、能量密度及体积能量密度继续引领行业。资料显示,麒麟电池采用磷酸铁锂时,系统能量密度超过160Wh/kg、290Wh/L;采用三元体系时,系统能量密度可以达到250Wh/kg、450Wh/L。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%。预计“麒麟电池”将于近期正式发布。

方形VS软包VS大圆柱电池

锂电池按封装形式区分,可以分为圆柱电池、方形电池和软包电池。

圆柱电芯的优势在于单体一致性好;单体能量小,发生事故时,形势易于控制;技术成熟,成本低。因为单体电池容量较小,只能通过大幅增加电芯数量满足容量需求,对BMS电池管理系统要求也较高。

方形电池的空间利用率相对于圆柱电池更高,单体容量大,能量密度较高;单体数量少,BMS系统构成相对简单,稳定性相对较好;尺寸定制化生产自由度高,产品型号多,导致制造工艺不统一。

软包电池的外壳采用铝塑膜材质,与采用铝壳的方形和圆柱电池相比,重量更轻。同等容量,软包电池的重量要轻20%。在发生安全隐患的情况下,软包电池最多只会鼓气裂开,安全性好。由于软包电池具有非常多的型号,无法实现大规模生产。

当下,动力电池市场形成了方壳/刀片、软包、圆柱三种形态“三分天下”的局面,三种电池之间各有优势和劣势。但就电芯能量密度方面来说,软包电池的能量密度最大,方形电池次之,圆柱电池最小。方形电池是目前锂电池领域应用面最广的电池,比亚迪、吉利、蔚来、奥迪、宝马等国内外车企均采用方形电池,代表性产品是宁德时代的NCM811电池。软包电池在汽车市场上的应用正在变得越来越多,被戴姆勒、广汽等车企采用,国内主要供应商是孚能科技。圆柱电池在国内市场占比约为10%,全球市场为23%,明显低于方形和软包电池。随着特斯拉推出4680电池,圆柱电池声势大振。比克电池预计,到2025年,大圆柱电池至少会占据30%以上的市场份额。目前,有很多大型新能源车企敲定了未来5-10年,经济型车型采用方壳/刀片磷酸铁锂电池,中高端车型采用“三元+硅大圆柱电池”的布局。

特斯拉4680型无极耳电池

2020年9月,特斯拉首次公布了4680(直径46毫米、高度80毫米)圆柱体电池技术。4680电池内部采用了无极耳设计,电极导电涂层和电池端盖的有效接触面积可达到100%,极大地提升了散热能力。此外,4680电池还采用了“CTC(Cell to Chassis,底盘电池)”电池包设计,取消了内部模块,直接由电池组成,带来了更高的空间利用率,提升了整个电池组的能量密度。相较于当前Model 3/Y使用的2170(直径21毫米,高度为70毫米)电池,4680电池单体容量提升了5倍,电力容量提升了6倍,电池组中的电芯数量由4400个减少到960个,成本降低了14%,整车续航里程提升了16%。目前,4680电池正在工厂实验产线上接近完工,今年年内开始大规模量产。

固态电池VS锂离子电池

固态电池与目前主流的传统锂离子电池相比,最大的不同在于电解质。固态电池使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。采用锂金属为负极材料的全固态锂金属电池是固态电池的最优发展方向。该技术可从本质上提升电池的安全性和高能量密度,能量密度可达液态锂电池的2倍以上,但目前仍有一些关键技术和工艺问题需要攻克,量产和商业化还面临着诸多难题。而现有的锂电技术(包括液态电池及半固态电池),在2030年前仍将占据绝对主导地位。其中,半固态电池是液态电池向固态电池发展的过渡方案,通过采用原位固态化等技术,使液态电解质部分或全部转化为固态电解质,电池能力密度大幅提升,同时可兼容现有电解液电池的工艺设备和材料,实现较低成本量产。目前,孚能科技、卫蓝新能源、国轩高科等企业已开发出半固态电池,有望实现装车。

SES“Apollo混合液态锂金属电池”

2021年11月,动力电池初创企业SES发布了Apollo混合液态锂金属电池,容量高达107 Ah,重量仅为0.982 kg,能量密度为417 Wh/kg、935 Wh/L,是目前全球单体容量最大的锂金属电池,也是世界上首个超过100Ah的单体锂金属电池。目前,SES和通用汽车、现代、本田三家车企进行样品的联合开发,按目前的计划,产品将于2025年正式量产。

Apollo混合液态锂金属电池介于锂离子电池与固态锂金属电池之间,兼顾两者优势。在混合锂金属电池中,采用了高浓度溶剂盐电解液,不是固态电解质,不影响隔膜的使用,最大的创新在于负极由石墨、硅材料替换成了超宽、超薄的锂金属。这使得混合锂金属电池兼具固态电池的特性,能量密度更高,重量更轻,同时也更安全。

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