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動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?

時(shí)間:2022-06-14 08:52:39 點(diǎn)擊次數(shù):

最近幾年,隨著電動(dòng)車(chē)普及率大幅提高,動(dòng)力電池迎來(lái)全面爆發(fā)時(shí)刻。電動(dòng)車(chē)中最重要的零部件非動(dòng)力電池莫屬,寧德時(shí)代、比亞迪、容百科技等多家上市公司大漲,一級(jí)市場(chǎng)也頻現(xiàn)巨額融資,甚至最上游的鋰、鈷、鎳等金屬原材料也因需求大而暴漲。



經(jīng)歷了多年技術(shù)革新,動(dòng)力電池經(jīng)歷了多條技術(shù)路線混戰(zhàn),最終磷酸鐵鋰和三元?jiǎng)俪?,過(guò)度依賴政府補(bǔ)貼的電池公司都難再生存,也推動(dòng)整個(gè)行業(yè)步入了新的階段。



但動(dòng)力電池沒(méi)有摩爾定律,不會(huì)像半導(dǎo)體那樣飛速迭代。動(dòng)力電池的技術(shù)基礎(chǔ)是電化學(xué),元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本定下,它需要通過(guò)排列組合不同的化學(xué)元素,以及解決一個(gè)又一個(gè)工程學(xué)問(wèn)題,來(lái)漸進(jìn)式升級(jí)迭代。



這種迭代主要分為材料升級(jí)和結(jié)構(gòu)革新,其中正極是決定動(dòng)力電池能量密度的核心。目前的技術(shù)格局中,正極材料成熟且優(yōu)化空間較小,短期突破點(diǎn)聚焦在負(fù)極材料上,而對(duì)固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望,正推動(dòng)很多冒險(xiǎn)者激流勇進(jìn)。



  • 在材料升級(jí)上,正極已形成磷酸鐵鋰和三元材料并行的局面,離理論極限還有空間,這個(gè)局面中短期不會(huì)改變;負(fù)極處于突破期,正在從石墨向硅基演進(jìn)。



  • 在結(jié)構(gòu)革新上,則是對(duì)電芯、模組、封裝方式等改進(jìn)和精簡(jiǎn),以提升電池的系統(tǒng)性能,例如比亞迪的刀片電池、寧德時(shí)代的CTP和特斯拉的4680等等。



  • 其他技術(shù)路線:例如鈉離子電池、氫燃料電池等等,各自有優(yōu)劣勢(shì),可能會(huì)覆蓋適合的應(yīng)用場(chǎng)景。



  • 固態(tài)電池的可能性:固態(tài)電池相比于液態(tài)電池,在能量密度和安全性方面都更好,但這項(xiàng)技術(shù)并不容易突破,量產(chǎn)時(shí)間越推越久,還有待觀察。



我們?cè)诖丝?,想結(jié)合歷史梳理與對(duì)未來(lái)的展望,來(lái)全面分析動(dòng)力電池。如今動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成了專業(yè)化程度高、分工明確的產(chǎn)業(yè)鏈,鋰、鈷、鎳礦等等在上游,隔膜、電解液、正負(fù)極等等廠商在中間(比如做正極的容百科技),匯聚到下游的電池廠(比如寧德時(shí)代、比亞迪),以及配套服務(wù)商例如電池回收(比如西恩科技)等等。



動(dòng)力電池是一個(gè)長(zhǎng)坡厚雪的大賽道。今天,我們這篇文章主要分析動(dòng)力電池的兩大技術(shù)迭代路徑——正負(fù)極的材料升級(jí)與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,我們會(huì)在另一篇中專門(mén)分析固態(tài)電池。歡迎從業(yè)或創(chuàng)業(yè)的小伙伴與我們交流,Enjoy:


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖1)

動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖2)


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第一種升級(jí)——用更合適的材料



  • 正極材料混戰(zhàn),最終還是堅(jiān)定技術(shù)路線的人勝出



在2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)臺(tái)上,來(lái)自美國(guó)、英國(guó)和日本的三位科學(xué)家獲得了這一年的化學(xué)獎(jiǎng),以表彰他們對(duì)“開(kāi)發(fā)鋰離子電池”的貢獻(xiàn)。



其中斯坦利·威廷漢在70年代首次采用金屬鋰作為負(fù)極材料,制作出了首個(gè)鋰電池。而約翰·B·古迪納夫更是被稱為鋰電池之父,他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩(wěn)定,也是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人,他們令電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入新能源時(shí)代。



如今,動(dòng)力電池正極呈現(xiàn)了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。如果看演進(jìn)史,你會(huì)發(fā)現(xiàn)電池的技術(shù)升級(jí)周期比較長(zhǎng)。這是因?yàn)殡姵貙儆陔娀瘜W(xué)行業(yè)相對(duì)穩(wěn)定,更多是漸進(jìn)式創(chuàng)新。



這就意味著,這個(gè)行業(yè)的推動(dòng)力并不是依靠有人突然間合成了原來(lái)沒(méi)有的東西,而是通過(guò)對(duì)不同元素間的排列組合,或是加入一些輔助手段,來(lái)發(fā)現(xiàn)更好的性能。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖3)


比如三元鋰電池的正極材料,主要是鎳鈷錳酸鋰,以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,其中鎳鈷錳的比例根據(jù)需要調(diào)整。我們常聽(tīng)到的“8系”NCM811,NCM就是鎳鈷錳的化學(xué)元素符號(hào),811是指鎳、鈷、錳的配比按照8:1:1。



三元材料的技術(shù)演進(jìn),就是從3系到5系(5:2:3)再到6系(6:2:2)、8系(8:1:1),直至現(xiàn)在的9系高鎳。這個(gè)演進(jìn)的本質(zhì)就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過(guò)程。



我們?cè)谕顿Y容百科技時(shí),行業(yè)主流正處于3系和5系,一些廠商在布局6系,那時(shí)容百押注技術(shù)變革,想直接跨越到8系,因?yàn)?系是相對(duì)終極的解決方案。容百的創(chuàng)始人白厚善是行業(yè)老兵,并且有足夠大的視野與格局。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖4)


容百還在很早就押注了動(dòng)力電池的高鎳化,高鎳化是近幾年里出現(xiàn)的新趨勢(shì)。高鎳也就意味著去鈷,最早之所以要加鈷,是為了防止電池自燃、爆炸。在動(dòng)力電池沒(méi)有普及之前,鈷是夠用的,主要用在手機(jī)等消費(fèi)電子電池里。但一輛新能源車(chē),動(dòng)力電池的用鈷量,相當(dāng)于上千臺(tái)手機(jī),導(dǎo)致對(duì)鈷的需求激增。



但鈷的產(chǎn)量嚴(yán)重不足,鈷在地球上的總儲(chǔ)量不是很大,且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經(jīng)成為限制動(dòng)力電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示,鈷的比例必須下降,不然電動(dòng)車(chē)的成本永遠(yuǎn)降不下來(lái)。



在車(chē)企和電池廠商的推動(dòng)下,2020年成為了高鎳元年,寧德時(shí)代高鎳電池開(kāi)始起量,而容百作為正極材料供應(yīng)商,綁定了寧德成為該領(lǐng)域絕對(duì)龍頭。隨著高鎳技術(shù)越來(lái)越成熟,2021年高鎳在寧德時(shí)代的總裝機(jī)量中,占比提升至30%。



高鎳在工程上并不容易做到。像NCM811等高鎳三元正極材料,其工藝流程對(duì)于窯爐設(shè)備、匣缽、反應(yīng)氣氛等均有特殊要求,且往往涉及二次甚至更多次的燒結(jié),成本較高。比如所需的氫氧化鋰原料,要在氧氣氛圍燒結(jié),還要去離子水洗滌。但常規(guī)三元正極材料則只需要碳酸鋰原料,空氣氛圍燒結(jié),也無(wú)需去離子水洗滌。



另一方面,與三元材料的優(yōu)缺點(diǎn)互換,幾乎就是另一條技術(shù)路線——磷酸鐵鋰。如今磷酸鐵鋰和三元并駕齊驅(qū),成為當(dāng)下動(dòng)力電池的另一大帝國(guó)。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖5)


磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯,優(yōu)點(diǎn)包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長(zhǎng)、原材料成本低等。



磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu),非常穩(wěn)定。本身磷酸根就能構(gòu)成一個(gè)三維結(jié)構(gòu),鋰脫出去之后,它自身還能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,不會(huì)坍塌。但很多三元材料,在鋰脫出去之后,自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)受到一定程度的破壞。所以磷酸鐵鋰的循環(huán)壽命很長(zhǎng),在2000次以上,而三元一般在1000次。



磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度,高達(dá)700℃,非常安全;且其原材料不含金屬鈷,這就讓成本低于三元近20%。



與優(yōu)點(diǎn)相對(duì),磷酸鐵鋰的兩大缺點(diǎn)也十分明顯,首先是能量密度天花板低,理論能量密度在190Wh/kg,遠(yuǎn)低于三元的350Wh/kg。



并且在低溫下的性能衰減很大,那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動(dòng)車(chē),多數(shù)用的都是磷酸鐵鋰電池。一塊容量為3500mAh的電池,如果在-10℃的環(huán)境中工作,經(jīng)過(guò)不到100次的充放電循環(huán),電量將急劇衰減至500mAh,因此鐵鋰電池不適合北方的冬天。



不過(guò)當(dāng)鐵鋰電池連在一起,成組效率高達(dá)85%以上,如今Pack后的能量密度在130-140wh/kg。而三元雖然單體能量密度在200-250為主,但成組效率低一些,只有75-80%左右,Pack后的能量密度普遍在140-160wh/kg,高鎳三元在180wh/kg左右。



但相比于成本優(yōu)勢(shì),磷酸鐵鋰漲價(jià)了才60-70元/公斤,三元幾乎貴了三倍,要在180-190元/公斤,是它的3倍了,這些能量密度的損失在某些場(chǎng)景下也可以接受。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖6)


2017-2018年,當(dāng)國(guó)家補(bǔ)貼高能量密度材料時(shí),三元是很有優(yōu)勢(shì)的。但自補(bǔ)貼退坡以后,磷酸鐵鋰的價(jià)格優(yōu)勢(shì)就完全體現(xiàn)了出來(lái)。從2021年開(kāi)始,磷酸鐵鋰的裝機(jī)量一直在增加,從幾年前的只剩20%左右,增長(zhǎng)到今天的一半一半,與三元分庭抗禮。



如果從整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看,當(dāng)下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講,一個(gè)成熟行業(yè)會(huì)是下游最賺錢(qián),就可能是整車(chē)的利潤(rùn)率大于電池,大于材料,大于礦。但現(xiàn)在的實(shí)際情況是,由于整車(chē)發(fā)展速度很快,但上游礦的投資周期很長(zhǎng),一時(shí)間供給跟不上需求,現(xiàn)在鋰礦、鎳礦價(jià)格飆升,反而擠壓了下游,在一定程度上影響了正極材料的技術(shù)路線選擇。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖7)


  • 負(fù)極突破有限已成拖累,從石墨到硅基?



隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致,人們把目光投向負(fù)極。



目前,我們廣泛使用的負(fù)極材料是石墨,但石墨的理論能量密度是372mAh/g,現(xiàn)在已經(jīng)優(yōu)化到了350-360mAh/g,急需用新的材料來(lái)突破。



負(fù)極材料的工作原理是在電池中起到儲(chǔ)鋰的作用,鋰離子在充放電過(guò)程中嵌入與脫出負(fù)極,充電時(shí)正極鋰被氧化為鋰離子,通過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極,鋰離子嵌入負(fù)極中;放電時(shí)鋰離子脫出負(fù)極,在正極被還原為鋰。



下一步,我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達(dá)4200mAh/g,是石墨的十倍多。但硅有一個(gè)問(wèn)題,就是在電池的充放電循環(huán)過(guò)程中,隨著鋰離子的嵌入和脫出,硅的體積膨脹率非常大,純硅高達(dá)300%,這會(huì)引起電解液的消耗,進(jìn)而導(dǎo)致電池使用壽命的急劇下滑。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖8)


石墨之所以好用,就是因?yàn)樗捏w積膨脹率比較低,只有10%-13%左右。目前,產(chǎn)業(yè)界想到的折中方案是,用5%-20%的硅來(lái)形成石墨+硅的復(fù)合負(fù)極材料,在可以接受的體積膨脹率之下,盡可能去提升容量。



不過(guò),目前硅碳負(fù)極出貨量還不高,一方面一些技術(shù)難題還沒(méi)有被攻克,比如說(shuō)石墨本來(lái)可以循環(huán)3000次,但加了硅就減半到1500次,同時(shí)硅碳的成本也居高不下。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖9)


人們對(duì)正負(fù)極材料曾經(jīng)做過(guò)很多探索,其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源(原珠海銀隆)的控股股東,而這家2008年成立的公司,就致力于探索鈦酸鋰技術(shù)路線。



鈦酸鋰是優(yōu)劣勢(shì)都非常明顯的材料。優(yōu)勢(shì)是倍率性能、循環(huán)性能特別好,電池的循環(huán)壽命幾乎是無(wú)限的,非常適合公交車(chē)等營(yíng)運(yùn)時(shí)間長(zhǎng),需要考慮循環(huán)壽命和成本的應(yīng)用場(chǎng)景。



但鈦酸鋰的電壓平臺(tái)太高了,導(dǎo)致能量密度太低。這些問(wèn)題決定了鈦酸鋰很難大規(guī)模商用,只能在一些特殊的場(chǎng)合,比如-40度的超低溫,需要特別高的功率。在政府補(bǔ)貼時(shí)代,鈦酸鋰紅極一時(shí),但當(dāng)補(bǔ)貼退坡后,還是很難自負(fù)盈虧。



一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商用并不容易,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)技術(shù)路線斗爭(zhēng),無(wú)論是磷酸鐵鋰和三元,還是石墨、硅、鈦酸鋰等等,但從結(jié)果來(lái)看,最終格局不一定是一邊倒的局面,而是各自找到了最適合的細(xì)分賽道。



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第二種升級(jí)——不一樣的電池結(jié)構(gòu)



當(dāng)人們不斷嘗試新材料的同時(shí),電池結(jié)構(gòu)也是升級(jí)的另一大重點(diǎn)。



如何改進(jìn)底盤(pán)電池包的設(shè)計(jì)?如何提升空間利用率?如何降低零件數(shù)量、降低電池包成本?都是提高動(dòng)力電池綜合表現(xiàn)的重要手段。



在材料上,比如從3系減少了鈷,加了更多鎳,材料的變化導(dǎo)致理論容量產(chǎn)生了變化,從300mAh/g變到了500mAh/g,但這只是理論容量,在生產(chǎn)成最終安裝在車(chē)上的電池包時(shí),需要各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中又會(huì)造成一些損耗,實(shí)際做完可能會(huì)從500降到400,這就變成了一個(gè)工程問(wèn)題。



各家紛紛亮出了自己的“武器”,比亞迪研究出了“刀片電池”、寧德時(shí)代拿出了CTP/CTC技術(shù)、特斯拉祭出了4680……當(dāng)然本質(zhì)上,封裝路線其實(shí)只有三種:圓柱、方形與軟包。



比亞迪和寧德時(shí)代都走的方形封裝路線,特斯拉的4680則屬于圓柱型。圓柱型是最為成熟的技術(shù)路徑,從消費(fèi)電子開(kāi)始,采用鋼鋁把圓柱的電池包裝起來(lái),一直是生活中最常見(jiàn)的電池。這種工藝成熟,良品率很高,但BMS復(fù)雜,使用門(mén)檻較高。而方形電池采用鋼鋁外殼,成組效率最高;軟包則是能量密度最高,但經(jīng)歷了一系列安全事故和價(jià)格高昂,曾經(jīng)遭遇挫折,但在2020年后隨著歐洲市場(chǎng)的放量滲透率大幅回升。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖10)
動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖11)


  • 特斯拉的4680電池要面對(duì)什么難題?



2020年9月,馬斯克在特斯拉電池日上發(fā)布了第三代4680電芯。之所以叫“4680”,是因?yàn)樗闹睆綖?6mm,高度為80mm。



4680的亮點(diǎn)是,相比于上一代2170,能量提升了5倍、續(xù)航里程提升16%、功率提升6倍、在電池組層面每千瓦時(shí)成本降低14%。



這意味著更少電芯數(shù)量,更高成組率。比如同樣用于75kWh的電動(dòng)車(chē)?yán)?,需?400個(gè)2170的電芯,若換為4680電芯僅需要950個(gè);同時(shí),更少的電芯數(shù)量降低了組裝時(shí)間,提升成組效率,帶來(lái)了成本優(yōu)勢(shì)。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖12)


特斯拉4680電池



不過(guò)大家明知道電池尺寸大的好處,卻不敢往大了做,是因?yàn)樾枰鉀Q很多非常難的挑戰(zhàn)。



第一,顯而易見(jiàn)的是當(dāng)電池尺寸越大,發(fā)熱就越多,散熱也越難,從而影響充電速度和循環(huán)使用壽命。



這一次,特斯拉試圖通過(guò)全極耳技術(shù),來(lái)搞定這個(gè)問(wèn)題。極耳,是指從電芯中將正負(fù)極引出來(lái)的金屬導(dǎo)電體,是電池充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。極耳間距越短,電池輸出功率越高。



傳統(tǒng)電池只有兩個(gè)極耳,分別連接正極與負(fù)極,而4680電池實(shí)現(xiàn)了全極耳,直接從正極/負(fù)極上剪出極耳,大大縮短了極耳間距,進(jìn)而大幅提升了電池功率(6倍于2170電池)。而且電子更容易在電池內(nèi)部移動(dòng),電流倍率提高,因此充放電速度更快。



第二,電池容量提升還會(huì)帶來(lái)電芯一致性的問(wèn)題。電池組由一個(gè)一個(gè)電芯單體組成,它遵循的是“木桶原理”,即電池組的容量、壽命取決于容量最低、壽命最短的那根電芯。如果每個(gè)電芯的容量區(qū)別很大,會(huì)導(dǎo)致電池組整體的容量損失。



而內(nèi)阻的不一致性,也會(huì)導(dǎo)致單個(gè)電芯的發(fā)熱量不同,相同的電流,大內(nèi)阻電芯的發(fā)熱量更大,因此劣化速度更快,折損整個(gè)電池組的壽命。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖13)


第三,是生產(chǎn)工藝問(wèn)題。全極耳電池生產(chǎn)起來(lái)并不容易,通俗理解就是如何把極耳折在一起的工藝。目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種。揉壓極耳時(shí),極耳形態(tài)不受控,容易短路,制造時(shí)兩段封閉,電解液滲入阻礙大。而如果切跌極耳,斜切成片卷起,比無(wú)規(guī)則擠壓好一些,占空間較小,但表面起伏度較大。多極耳很難折疊整齊,極耳位置誤差在外圈易被放大。特斯拉目前用的是切跌極耳路線。



全極耳也對(duì)焊接技術(shù)提出了更高要求。在傳統(tǒng)雙極耳中,與集流盤(pán)或殼體連接時(shí),只需要點(diǎn)焊即可,但4680的全極耳要求面焊,激光強(qiáng)度和焦距都不容易控制,容易焊穿燒到電芯內(nèi)部或者沒(méi)有焊到。所以以往2170電池只需要脈沖激光器點(diǎn)焊,但4680要求激光點(diǎn)陣焊接,需要連續(xù)激光器,在生產(chǎn)上也需要全面提升。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖14)


所以4680的量產(chǎn)還面臨難度。一般來(lái)說(shuō),90%的良品率是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的要求,但在初期,4680的良品率只有20%,在經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)改良后,才提高至70%-80%。



另一方面,特斯拉還為4680準(zhǔn)備了CTC技術(shù)——電池既是能源設(shè)備,也是結(jié)構(gòu)本身。



CTC(Cell to Chassis)直接將電池集成在電動(dòng)車(chē)底盤(pán)上,取消了原來(lái)的電池蓋板,電池上表面的零件,通過(guò)一種兼顧結(jié)構(gòu)膠+耐火阻燃膠的新型多功能膠,直接與車(chē)身結(jié)構(gòu)連接,集成了座椅固定及車(chē)身橫梁的功能,同時(shí)承擔(dān)電池密封,增加了空間利用率。



綜合來(lái)說(shuō),4680是一款有潛力成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)品的電池,它的材料體系應(yīng)用激進(jìn),采取了超高鎳低鈷正極+硅碳負(fù)極的方案,疊加CTC提升布置效率,節(jié)省了370個(gè)零部件,為車(chē)身減重10%,將每千瓦時(shí)的電池成本降低7%,增加14%的續(xù)航,彰顯了特斯拉的野心。



  • 比亞迪“刀片電池”與寧德時(shí)代CTP技術(shù)如何?



比亞迪刀片電池與寧德時(shí)代CTP電池,都是一種基于方形鋁殼的疊片電池。



CTP(Cell to Pack)技術(shù),可稱為無(wú)模組設(shè)計(jì),其靈感是直接將多個(gè)電芯布置于箱體,而無(wú)需先把多個(gè)電芯組裝成模組。這使得零部件數(shù)量大幅減少,底盤(pán)空間利用率也提高了很多,進(jìn)一步降低了制造成本。



比亞迪的“刀片電池”在無(wú)模組設(shè)計(jì)上更加徹底,一刀片一電池,單塊刀片電池是由多個(gè)并聯(lián)的電芯組組成,兩個(gè)相鄰的極芯組之間設(shè)置有隔板,將電芯的空間分隔成若干個(gè)容納腔,形成類似的蜂巢結(jié)構(gòu),空間利用率極高。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖15)


比亞迪刀片電池陣列



當(dāng)然,刀片電池也有其局限性。這種設(shè)計(jì)適用鐵鋰體系,三元比較難。原因是三元高鎳正極存在氣體膨脹,硅碳負(fù)極存在固體膨脹問(wèn)題,而刀片電池導(dǎo)電路徑長(zhǎng),阻抗大不利于散熱,磷酸鐵鋰的失控溫度高,產(chǎn)氣量少,整體更加安全,但用不了三元導(dǎo)致能量密度天花板較低。



所以比亞迪主要走性價(jià)比路線,在便宜的同時(shí)令其最終產(chǎn)品的能量密度,不比三元電池包差太多。2021年比亞迪旗下電動(dòng)車(chē)切換刀片電池,出貨量在快速提升。



寧德時(shí)代的CTP電池,與比亞迪刀片電池類似,不同點(diǎn)在于其仍保留了部分模組,但是通過(guò)減少模組的使用,增加電芯數(shù)量或體積,提升集成效率。



這種不那么激進(jìn)的策略,令寧德時(shí)代CTP電池可以應(yīng)用鐵鋰或三元,例如特斯拉的鐵鋰電池就是采用寧德時(shí)代CTP技術(shù),成組能量密度達(dá)150-160wh/kg,成本方面低于三元電池15%左右。此外三元電池中CTP也逐步切換,北汽、大眾等很多車(chē)企,采取了高鎳三元811大模組方案。



CTP的技術(shù)難點(diǎn),在于怎么把它們整合在一起,怎么保持電池的一致性。在生產(chǎn)過(guò)程中,每家電池廠的CTP技術(shù)也不完全一樣,各自有各自的專利布局,模仿難度很高。


動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?(圖16)


在繼2019年提出CTP后,2020年寧德時(shí)代公布了電池結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)路線圖,除了第二代、第三代CTP電池系統(tǒng)以外,與特斯拉類似,還提出了從電芯直接跨越到底盤(pán)的集成化CTC電池系統(tǒng),計(jì)劃在2025年左右推出。



從以上的技術(shù)細(xì)節(jié)中,我們不難看出動(dòng)力電池的提升,是一種工程化的步步為營(yíng)。無(wú)論是4680從多功能膠的使用、激光點(diǎn)陣焊接、全極耳的切跌、新型硅碳負(fù)極的應(yīng)用,再到刀片電池富有創(chuàng)意的排布、CTP向CTC電池越來(lái)越集成化,每個(gè)環(huán)節(jié)都缺一不可,是現(xiàn)代工程學(xué)的結(jié)晶。



動(dòng)力電池更強(qiáng)調(diào)步步為營(yíng),把每一步技術(shù)做扎實(shí);這個(gè)行業(yè)也不喜歡投機(jī)者,過(guò)度依賴政策補(bǔ)貼是行不通的。



所以這個(gè)行業(yè)最終還是需要企業(yè)家,要有對(duì)技術(shù)路徑的嗅覺(jué)、要有解決一個(gè)又一個(gè)工程細(xì)節(jié)的執(zhí)著,以及穿越產(chǎn)業(yè)周期的格局,才能在隘口突圍。



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