軟包電池的特點(diǎn)和市場(chǎng)格局演變的拐點(diǎn)

從2010年開始的很長(zhǎng)一段時(shí)間里面，通用的Volt和日產(chǎn)的LEAF都是軟包電芯，除了特斯拉用18650以外，可以說(shuō)軟包電池=第一代動(dòng)力電池。很多朋友在問(wèn)我，軟包電池這幾年的發(fā)展為什么沒(méi)有別的技術(shù)那么風(fēng)風(fēng)火火。

近幾年，鋰電池領(lǐng)域正在進(jìn)行技術(shù)突破，除了圍繞化學(xué)體系的改進(jìn)，很多技術(shù)進(jìn)步都屬于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新——有火爆行業(yè)的刀片類電池、特斯拉和寶馬引領(lǐng)的4680大圓柱電池、以及方殼電池搭配的麒麟電池CTP3.0技術(shù)。相比之下，這幾年軟包電池在憋什么大招呢？

事實(shí)上，電池的不同封裝形態(tài)都是服務(wù)于用戶端的需求。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，軟包電池普遍用于手機(jī)、筆記本等產(chǎn)品。在汽車領(lǐng)域，目前方殼被廣泛接受，軟包在中國(guó)因?yàn)楣?yīng)鏈不成熟、技術(shù)難度大、成組效率低，以及參與的電池廠少等原因，熱度不高。但是目前軟包技術(shù)已經(jīng)非常成熟，后續(xù)該怎么樣才能發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，今天的文章主要來(lái)談?wù)勥@個(gè)事情。

從歷史來(lái)看，軟包電池也經(jīng)歷了非標(biāo)準(zhǔn)大尺寸、355模組電芯、390模組電芯和590模組電芯，之前的設(shè)計(jì)更多是從電池本身角度談設(shè)計(jì)，隨著軟包電池也結(jié)合汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，那么軟包電池的新型設(shè)計(jì)思路是什么？

Part 1軟包電池的特點(diǎn)和市場(chǎng)格局演變的拐點(diǎn)

一、市場(chǎng)的格局變化

拋開電動(dòng)汽車的早期歷史不說(shuō)，根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)，電池的市場(chǎng)格局是在2018- 2021年這幾年，是往有利于軟包電池的方向發(fā)展的。

▲圖2.不同類型電池的封裝份額（數(shù)據(jù)來(lái)源：IHS）

◎圓柱電池：市場(chǎng)份額在不斷變小，從2018年的29%，到去年的15%；根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)2022年上半年只有12%了。特斯拉一直是圓柱最大的使用者，在開始選用方殼電池以后，圓柱在整個(gè)市場(chǎng)影響變小了?！蜍洶姵兀簭氖袌?chǎng)份額不斷變大，到2021年達(dá)到峰值接近30%，今年上半年份額略降，在25%左右。

?◎方殼：一直占領(lǐng)50%的市場(chǎng)份額，近兩年占比有所增高。

數(shù)字是客觀的，在數(shù)字后面我們還能看到電池廠商的情況：在動(dòng)力領(lǐng)域圓柱電池的主要提供商是松下、LG和SDI，軟包電池主要是LG、SK on、AESC遠(yuǎn)景和國(guó)內(nèi)的孚能；方殼電池，一個(gè)是寧德時(shí)代，一個(gè)是比亞迪（刀片也是方殼的變種，融合的產(chǎn)物）。從產(chǎn)品終端的汽車市場(chǎng)來(lái)看，電池產(chǎn)品的比例受限于整車的銷量。因此，方殼電池的份額走高和車端市場(chǎng)息息相關(guān)，同時(shí)擠掉了其他產(chǎn)品的份額。

二、市場(chǎng)拐點(diǎn)的原因分析

整車企業(yè)應(yīng)用端在變化，從汽車企業(yè)角度來(lái)看，也確實(shí)存在和電池企業(yè)的博弈。

◎特斯拉：從只用圓柱，到2020年10月導(dǎo)入方殼，目前方殼比例逐步升高。這里分界線，就是一個(gè)電池包里面兼容圓柱模組和方殼模組。

◎奔馳：從EQC階段只用軟包，到開始在EQS上導(dǎo)入方殼電池——這里也確實(shí)是方殼和軟包兼容的模式。

◎通用汽車和福特：這兩家在美國(guó)主要圍繞軟包電池，但是在中國(guó)都采用了方殼電池為主。

在中國(guó)市場(chǎng)，由于有2017年開始的補(bǔ)貼退坡要求，還有產(chǎn)能供給的問(wèn)題，從這一年起，中國(guó)車企絕大多數(shù)企業(yè)只使用方殼。這里一方面和方殼的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有關(guān)：

◎方殼提出取消模組，利用自身剛性來(lái)提高體積使用效率，降低成本。

◎方殼提出了大電芯方案，從1倍厚到3倍厚，成本降低，容量做到300Ah。

另一個(gè)容易被人忽視的原因，還和方殼主要的供應(yīng)商寧德時(shí)代和比亞迪的產(chǎn)能擴(kuò)張速度有關(guān)——產(chǎn)能高速擴(kuò)張，客觀上提高了市占率。

圓柱電池在2017年以后的式微，一個(gè)重大的原因是因?yàn)橘|(zhì)量一致性難以保證——我們看到小鵬在早期的設(shè)計(jì)嘗試了圓柱電池，也是在國(guó)內(nèi)吃了虧然后改選用方殼的。

軟包電池在國(guó)內(nèi)發(fā)展存在一定的瓶頸，主要的原因有：◎一方面是材料供應(yīng)的問(wèn)題，包括鋁塑膜這樣的材料沒(méi)有國(guó)產(chǎn)化。

◎另一方面，在中國(guó)車企要求規(guī)模化供應(yīng)的當(dāng)口，軟包需要克服技術(shù)問(wèn)題，并給關(guān)鍵的產(chǎn)能供給一些爬坡時(shí)間。

在技術(shù)方面，因?yàn)檐洶闹饕攸c(diǎn)，在圍繞能量密度這個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)不突出（電芯高，Pack打折率大），競(jìng)爭(zhēng)時(shí)在成本和生產(chǎn)效率方面就有些吃虧。這也是軟包電池急需解決的問(wèn)題。

▲圖4.軟包的技術(shù)特點(diǎn)

Part 2?軟包的復(fù)興

但軟包電池并不是沒(méi)有翻盤的機(jī)會(huì)，想要理清楚這部分邏輯，得先詳細(xì)分析一下。

軟包的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。先說(shuō)優(yōu)點(diǎn)：◎尺寸很靈活，可以根據(jù)汽車客戶的需求，調(diào)整產(chǎn)線?！蜍洶姵?，鋁塑膜變形空間較大，熱失控時(shí)電芯層級(jí)更容易泄壓?！蜾X塑膜，重量輕，非活性部分所占比重小，軟包電池能量密度高。◎循環(huán)過(guò)程中對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力小。

◎極耳位置充裕，充放電過(guò)程中，熱量分布均勻。

在實(shí)際的制造工藝中，軟包采用疊片工藝，這個(gè)工藝與采用卷繞工藝的方殼相比，還有如下的優(yōu)勢(shì)：◎能量密度更高：電芯內(nèi)部的卷繞工藝，卷繞拐角部有弧度，空間利用率低一些。這是因?yàn)?疊片工藝 能夠充分地 利用電池空間。在相同體積的電芯設(shè)計(jì)下，能量密度也相應(yīng)提高了——軟包疊片相比方殼卷繞和疊片，能量密度高5-10%。◎結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定：疊片工藝在電池的循環(huán)往復(fù)使用中，雖然也會(huì)膨脹，但總體來(lái)說(shuō)，每層膨脹力相近，因此可保持界面平整?！虬踩愿撸喊踩砸彩且?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的自身優(yōu)勢(shì)帶來(lái)的。電極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會(huì)導(dǎo)致電芯變形，因此，確保電芯的形變最小，也是電池安全性的保證。疊片電池則由于受力均勻，形變小，電芯的安全性更高?！蚋L(zhǎng)的循環(huán)壽命：疊片電池的極耳數(shù)量較多，電子傳輸距離越短，電阻越小，故疊片電池的內(nèi)阻能夠降低，電池產(chǎn)熱小。而卷繞則容易發(fā)生變形、膨脹等問(wèn)題，影響電池衰減性能。

◎通往未來(lái)的固態(tài)電池：如果說(shuō)我們認(rèn)為將來(lái)固態(tài)電池要實(shí)現(xiàn)的話，軟包的形態(tài)可能是固態(tài)電池必須要走過(guò)的路。隨著電池固態(tài)電解質(zhì)的突破，能量密度更高，循環(huán)更好，成本更低。軟包這種形態(tài)可以賦予更大的想象空間。

從最終的電池成品看，用疊片工藝制成的電池產(chǎn)品，能量密度更高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、安全性更高、壽命更長(zhǎng)。

軟包電池的缺點(diǎn)在于：◎殼體強(qiáng)度低，成組技術(shù)中附加材料多，之前沒(méi)有采用CTP設(shè)計(jì)?！蛉萘孔霾淮?，鋁塑膜限制了電池的厚度，限制了容量。

◎采用疊片的生產(chǎn)效率相對(duì)較低。

也就是說(shuō)，從產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)看，軟包需要直面的難點(diǎn)在于：◎技術(shù)難度的突破上，結(jié)合汽車的開發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)?！蚪鉀Q成組率低的問(wèn)題，把電池容量做大?！蛱嵘a(chǎn)業(yè)鏈成熟度，提高產(chǎn)能。

◎有效的成本設(shè)計(jì)。

▲圖5.軟包電池的核心問(wèn)題

◎當(dāng)然最重要的還是制造端的改進(jìn)，隨著疊片工藝的效率提升，也帶動(dòng)了軟包電芯放大了自己的優(yōu)勢(shì)。

Part 3軟包電池的發(fā)展前途

在目前的軟包設(shè)計(jì)中，孚能發(fā)布的SPS（Super Pouch Solution）是非常有特點(diǎn)的，可以說(shuō)為軟包的復(fù)興之路探索到一個(gè)正確的方向，也走在軟包技術(shù)的前端。

仔細(xì)研究可以看到，SPS主要圍繞大軟包電芯、大軟包電池系統(tǒng)、大軟包電池制造。在電芯的設(shè)計(jì)方法上，是通過(guò)大電芯配合層疊布置，可以使電池系統(tǒng)部件減少50%，材料成本降低33%，提升體積利用率到75%。而作為對(duì)比，麒麟電池的第三代CTP技術(shù)，作為這個(gè)領(lǐng)域的王者，體積利用率為72%。

在軟包領(lǐng)域，孚能的SPS大軟包電池是提出了一種解題思路，也值得我們持續(xù)跟蹤做一些深度解析。主要從以下幾個(gè)方面來(lái)看：

●解決熱失控的問(wèn)題

軟包能否做CTP設(shè)計(jì)，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，孚能SPS的設(shè)計(jì)是給軟包電芯做個(gè)殼體，把軟包堆疊在一起，可以直接集成到PACK甚至汽車底盤。高效液冷板和導(dǎo)熱片的復(fù)合使用給大軟包電芯提供了“雙面液冷，三面?zhèn)鳠帷钡母咝峤粨Q，其中豎起來(lái)的液冷板可以起到電池PACK的支撐作用，也是可以起到安全防護(hù)作用的。電池系統(tǒng)的散熱效率提升4倍。大軟包電芯形成6面防護(hù)，配以高效排氣通道的設(shè)計(jì)和熱交換能力，SPS大軟包電池系統(tǒng)配置8系或更高鎳含量的電芯，單體電芯的熱失控不擴(kuò)散（NO TP），當(dāng)一個(gè)軟包電芯出現(xiàn)問(wèn)題，最多出現(xiàn)一個(gè)堆疊的模組燒起來(lái)，但是整體比之前把電芯站立火燒連營(yíng)要好。

▲圖8.孚能電池的SPS方案

●整車匹配問(wèn)題

隨著汽車企業(yè)的能耗競(jìng)爭(zhēng)和空間布置的要求提出來(lái)，各家電池廠都必須根據(jù)主機(jī)廠的需求調(diào)整生產(chǎn)線，相比方殼和刀片尺寸，這種大軟包尺寸我們可以做到更薄，也就讓汽車的底盤厚度可以更薄，空間相應(yīng)的增大。

▲圖9.不同電池的需求

SPS“大軟包”臥式布局和疊片技術(shù)，可以靈活調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)的底盤高度，同款底盤、一款電芯就可以適配全系乘用車。大軟包電芯厚度，是可以靈活改變的，可根據(jù)不同的要求配置成14mm-20mm；而且由于Pack高度=電芯厚度*電芯數(shù)量，大軟包還可以通過(guò)調(diào)整電芯的堆疊數(shù)量來(lái)控制電池高度——SPS大軟包系統(tǒng)的高度可以在85mm-145mm之間靈活調(diào)節(jié)，搭載不同能量密度的大軟包電芯讓電池系統(tǒng)可擁有從80kWh-150kWh的不同容量，滿足從性能轎跑到城市皮卡的電動(dòng)化需求。

▲圖10.適應(yīng)整車的設(shè)計(jì)

●快充速度

電池快充是電池特性提升的下一個(gè)熱點(diǎn)，目前在800V車型上是一個(gè)剛性需求。孚能科技的SPS方案中，液冷板和導(dǎo)熱片的復(fù)合使用，給大軟包電芯提供了“雙面液冷，三面?zhèn)鳠帷钡母咝峤粨Q，電池系統(tǒng)的散熱效率提升4倍，加上精準(zhǔn)的控溫AI-BMS，這樣也增加了電池循環(huán)壽命，SPS的設(shè)計(jì)是可以超過(guò)3000次循環(huán)的。在2021年開始，孚能在這方面就展示了800VTC的超壓超充技術(shù)，這塊的技術(shù)儲(chǔ)備也確實(shí)已經(jīng)開始了，也是很早應(yīng)用到量產(chǎn)車型里面去，這對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)值得期待的技術(shù)。

▲圖11.快充的需求

小結(jié)：總體來(lái)看，動(dòng)力電池的三種技術(shù)路線，圓柱、方殼和軟包都是各自有發(fā)展。軟包電池的技術(shù)路線一直很靈活，在持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)中想要得到更多的份額，一定是把容量做大，結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)單，才能更符合汽車的需求。在這個(gè)方向上，不斷有企業(yè)在提出電芯層面和成組方面的創(chuàng)新，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)影響挺大。孚能作為在中國(guó)軟包電芯的代表，在軟包技術(shù)層面引領(lǐng)全行業(yè)，孚能SPS大軟包系統(tǒng)的創(chuàng)新，是全方位的技術(shù)革新，從目前的設(shè)計(jì)來(lái)看，不僅是從技術(shù)方面做出一整套完整的解決思路，還可以看到工程設(shè)計(jì)人員在其中下了很大的功夫。

另外，軟包電池面臨的產(chǎn)能難題，孚能科技也做出應(yīng)對(duì)：11月1日贛州30G的SPS大軟包電池工廠已開工，預(yù)計(jì)2023年下半年正式投產(chǎn)。另外，蕪湖一期24G SPS大軟包電池工廠建設(shè)中我們可以期待一下。

審核編輯：郭婷