解讀電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的現(xiàn)狀發(fā)展：無鈷/疊片/CTP

電動(dòng)汽車誕生至今，已經(jīng)遇到了不少問題。前幾年，續(xù)航里程不足是電動(dòng)汽車最大的痛點(diǎn)，過短的續(xù)航里程讓電動(dòng)汽車看上去就像一個(gè)笑話?，F(xiàn)在，新款電動(dòng)汽車的續(xù)航里程已經(jīng)普遍達(dá)到了500km，續(xù)航不再是問題，但是層出不窮的自燃甚至爆炸事故讓消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車望而卻步。今后幾年電動(dòng)汽車還將面臨更多的難題，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(fā)現(xiàn)了，電動(dòng)汽車面臨的這些問題全部都跟電池有關(guān)。業(yè)界已經(jīng)越來越清晰地認(rèn)識(shí)到，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的最關(guān)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(guān)部門聯(lián)合印發(fā)了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》。在這份方案中提出了幾個(gè)電池的發(fā)展目標(biāo)：2020年動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下；2025年動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)到500Wh/kg。如今三年已過，現(xiàn)在電池的性能、成本距離2020年的目標(biāo)還有不小的差距，2025年的目標(biāo)更是遙不可及。這說明動(dòng)力電池技術(shù)的研發(fā)進(jìn)度比行業(yè)頂尖專家的預(yù)期還要慢一些，其難度可想而知。

好在新能源已經(jīng)成為了大勢(shì)所趨，有越來越多的資金和人才正在進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。在今年，汽車動(dòng)力電池行業(yè)出現(xiàn)了一些創(chuàng)新技術(shù)，為加速電池性能的提升帶來了一絲曙光。在這些新技術(shù)當(dāng)中，有電池材料的創(chuàng)新，有生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新，也有電芯成組技術(shù)的創(chuàng)新。

一、材料創(chuàng)新：無鈷電池降低成本

目前市場(chǎng)上主流的動(dòng)力鋰電池有兩類：磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。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(dòng)力電池正極材料中的重要元素之一，不但可以穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，而且可以提高材料的循環(huán)和倍率性能。

但是，全球鈷的資源是比較稀缺的，每年鈷的產(chǎn)量約20萬噸，其中有50%左右是用在消費(fèi)類電池上，比如手機(jī)、筆記本；有14%左右用于新能源汽車的動(dòng)力電池；其他的應(yīng)用于核心領(lǐng)域或者是軍工領(lǐng)域。隨著新能源汽車的迅猛發(fā)展，鈷的需求量也在持續(xù)激增。如果不考慮回收，2026年以后，鈷就將供不應(yīng)求。有限的鈷元素資源，無法支撐新能源汽車無限的發(fā)展空間。

電池技術(shù)有很多發(fā)展方向，包括高鎳、無鈷、富鋰錳基等等。在現(xiàn)階段，無鈷材料是一條能夠很快獲得成果的技術(shù)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(yè)化應(yīng)用能量密度最高的NCM811三元鋰電池的水平。無鈷電池在抗過充能力、熱穩(wěn)定性、使用壽命、成本等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在今年5月，蜂巢能源率先發(fā)布了2款基于無鈷材料的電芯產(chǎn)品。其中一款是基于VDA標(biāo)準(zhǔn)的590規(guī)格電芯，容量為115Ah，電芯的能量密度達(dá)到245wh/kg，它將在2021年6月份推向市場(chǎng) 。另一款是適用于大模組的長(zhǎng)電芯，容量226Ah，它將可以支持新車實(shí)現(xiàn)880km的續(xù)航里程，這款產(chǎn)品預(yù)計(jì)可以在2021年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

無鈷電池相比三元電池最大的優(yōu)勢(shì)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(wěn)定性方面，無鈷電池輕松通過150℃的熱箱實(shí)驗(yàn)，而三元電池在這樣的高溫下會(huì)起火。

二、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新：疊片工藝提升性能

汽車動(dòng)力電池將朝著長(zhǎng)電芯、大模組的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的卷繞方式電芯已經(jīng)不能滿足車規(guī)級(jí)動(dòng)力電芯的形態(tài)要求，取而代之的是疊片工藝生產(chǎn)出來的電芯，由于疊片電芯尺寸靈活，不受卷繞卷針結(jié)構(gòu)的限制，層疊方式生產(chǎn)，極片的界面平整度高，在車規(guī)級(jí)動(dòng)力電芯領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的電池采用卷繞方式生產(chǎn)，對(duì)殼體空間的利用不夠充分，而且容易導(dǎo)致局部過熱。用疊片工藝生產(chǎn)的電池在能量密度、壽命、成本、安全性等方面都有一定的優(yōu)勢(shì)，松下等行業(yè)巨頭均有在2022年之后導(dǎo)入疊片工藝的計(jì)劃，而蜂巢能源搶先一步已經(jīng)用上了疊片工藝。

疊片工藝面臨的問題主要在于設(shè)備、工藝、制造、效率等方面的瓶頸，導(dǎo)致單工位效率低，制造成本高。而蜂巢能源通過持續(xù)的研發(fā)投入和技術(shù)攻關(guān)，目前已完成行業(yè)首例45°旋轉(zhuǎn)式高速疊片的開發(fā)與導(dǎo)入，疊片效率超出行業(yè)傳統(tǒng)疊片設(shè)備單工位效率的40%。正是這樣的優(yōu)勢(shì)，讓蜂巢能源可以搶在行業(yè)巨頭之前應(yīng)用疊片工藝。

在2020成都車展上，蜂巢能源展出了各種規(guī)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(huán)壽命提升10%，成本降低15%。

三、電芯成組技術(shù)創(chuàng)新：CTP提升能量密度

在汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域，有一個(gè)“成組效率”的概念。一般而言，數(shù)個(gè)單體電芯構(gòu)成一個(gè)電池模組，再由多個(gè)電池模組構(gòu)成電池包。從電芯到電池包，冷卻系統(tǒng)、線束等附件越來越多，占據(jù)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(qiáng)。

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(yīng)用廣泛的VDA標(biāo)準(zhǔn)的電芯，到下一代的MEB標(biāo)準(zhǔn)電芯，一大變化就是電芯單體的長(zhǎng)度大幅增加。有些電池廠商更加激進(jìn)，推出了CTP（Cell To Pack）技術(shù)，即電芯直接成組，跳過了電池模組的環(huán)節(jié)。在CTP電池組里，電芯的長(zhǎng)度與電池組的寬度相當(dāng)，可以達(dá)到1m以上，所以電芯的數(shù)量會(huì)大幅減少，整個(gè)電池組的能領(lǐng)密度大幅提升。

目前，寧德時(shí)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(shù)。在年底應(yīng)該就會(huì)有采用CTP電池技術(shù)的新車上市了。

比亞迪/通用的電池技術(shù)

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(shí)際上是一種采用了CTP技術(shù)的磷酸鐵鋰電池。刀片電池保持了磷酸鐵鋰材料在安全性方面的優(yōu)勢(shì)，通過CTP技術(shù)彌補(bǔ)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(gè)名字比較形象的展現(xiàn)了比亞迪這種新型電池的外觀特點(diǎn)。從技術(shù)的角度來說，刀片電池本質(zhì)上是采用了CTP技術(shù)的磷酸鐵鋰電池。前面已經(jīng)介紹了CTP無模組電池技術(shù)，這種技術(shù)能夠有效提升電池組的能量密度。

磷酸鐵鋰電池在前幾年曾經(jīng)占據(jù)了市場(chǎng)的主流，其優(yōu)勢(shì)是安全性能好，但是能量密度和低溫性能不及三元鋰電池。由于新能源補(bǔ)貼跟電池組的能量密度掛鉤，所以磷酸鐵鋰電池逐漸被三元鋰電池取代。隨著補(bǔ)貼的逐步退出和電池安全問題日益突出，現(xiàn)在磷酸鐵鋰電池有卷土重來的趨勢(shì)。CTP技術(shù)的應(yīng)用讓磷酸鐵鋰電池的能量密度得到提升。

刀片電池的難點(diǎn)在于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要求在制造過程中保持極高的精度和速度，對(duì)極片的涂布和輥壓工藝帶來巨大的考驗(yàn)。比亞迪通過寬幅技術(shù)，將最大涂布寬度做到1300mm，最大輥壓寬度做到1200mm。采用高速疊片方案，將接近1米長(zhǎng)的極片實(shí)現(xiàn)公差控制在±0.3mm以內(nèi)，并且單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。

CTP技術(shù)的引入讓比亞迪刀片電池的能量密度不輸三元鋰電池，而在安全性能方面，刀片電池保持了磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢(shì)，在針刺、擠壓和爐溫測(cè)試中，刀片電池能夠做到不起火、不爆炸，這一點(diǎn)比三元電池要優(yōu)秀很多。同時(shí)，刀片電池的電芯強(qiáng)度和電池包的整體強(qiáng)度都很優(yōu)秀，刀片電池組的抗壓承受力可達(dá)445kN，相當(dāng)于45噸卡車。

通用汽車Ultium電池系統(tǒng)

由于中國(guó)的新能源汽車前景看好，所以本土企業(yè)對(duì)新能源技術(shù)有很大的研發(fā)熱情。其實(shí)，這一趨勢(shì)不僅僅是中國(guó)的，更是全世界的，所以合資品牌、跨國(guó)公司也都投入重金研發(fā)電池技術(shù)。前不久通用汽車發(fā)布的Ultium電池系統(tǒng)就是極具潛力的電池系統(tǒng)。

通用汽車在新能源領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備極為豐厚，這與它對(duì)研發(fā)的重視是分不開的。通用汽車在美國(guó)和中國(guó)都有獨(dú)立的電池實(shí)驗(yàn)室，并設(shè)立了電池試制生產(chǎn)線，用于電池原型開發(fā)和各類型的試驗(yàn)認(rèn)證。所以，通用汽車有能力與供應(yīng)商合作開發(fā)電池。微藍(lán)車型的電芯在LG化學(xué)領(lǐng)先的技術(shù)方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，采用了專屬配方與設(shè)計(jì)。

車用動(dòng)力電池的電芯主要有三種：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(xué)的軟包電池作為電芯。同時(shí)，通用汽車還為電池組開發(fā)了具有專利的片層液冷技術(shù)，在技術(shù)方面亮點(diǎn)頗多。

通用汽車在今年3月份發(fā)布了全新Ultium電池系統(tǒng)和第三代全球電動(dòng)車平臺(tái)。Ultium電池系統(tǒng)采用了高度模塊化的設(shè)計(jì)，擁有靈活的排布方式，可以適配多種車型?；赨ltium電池系統(tǒng)打造的模塊化電動(dòng)車平臺(tái)是通用汽車的第三代全球電動(dòng)車平臺(tái)，該平臺(tái)可以為電動(dòng)汽車提供高達(dá)650km的續(xù)航里程、最快3s的百公里加速、多種驅(qū)動(dòng)方式。

全新Ultium電池系統(tǒng)是新平臺(tái)的核心，它有多種布置方式，有利于優(yōu)化電池能量?jī)?chǔ)存與整車布局，其容量從50kWh至200kWh不等。在電芯技術(shù)方面，通用汽車與LG化學(xué)成立合資公司共同研發(fā)和生產(chǎn)電芯，采用鈷含量較低的專利化學(xué)配方，技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷突破有望進(jìn)一步降低電池成本，達(dá)到100美元/kWh以下。

編輯點(diǎn)評(píng)：電池是電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)，全行業(yè)都對(duì)電池技術(shù)的突破翹首以盼。不過，技術(shù)的發(fā)展往往是漸進(jìn)，而不是跨越的，電池的性能會(huì)通過技術(shù)創(chuàng)新一點(diǎn)點(diǎn)地提升。也許你對(duì)現(xiàn)在的電池有些失望，但是五年之后回頭看，我們一定會(huì)驚嘆于技術(shù)的進(jìn)步。