全極耳技術(shù)“突破”大圓柱電池“出擊”

摘要

頂尖車企相繼“牽手”大圓柱電池，正引領(lǐng)行業(yè)新風向。

GGII最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1-10月，全球新能源車合計銷售763.8萬輛，同比增長61%。一方面，新能源車滲透率正不斷提高，已接近30%；另一方面，鋰電池作為新能源車的“核心”，與新能源車“同頻共振”，1-10月合計裝機量369.81GWh。

動力電池?！傲俊保！百|(zhì)”，由于新能源車對安全性能、續(xù)航里程、充電速度等要求在不斷提高，哪種形態(tài)的電芯最適合新能源汽車應(yīng)用是目前熱議的話題，新能源車市場正倒逼電池企業(yè)不斷更新突破電池技術(shù)、不斷推出創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)的電池產(chǎn)品。

就當下而言，方形電池、軟包電池、圓柱電池優(yōu)勢各異，是目前動力電池市場的三大主流產(chǎn)品。其中，圓柱電池憑借著在成本、性能與安全等方面的優(yōu)勢，備受市場關(guān)注，這主要由于其單體和電池包結(jié)構(gòu)特性，單體體積最小，便于熱管理，可以靈活利用異形空間，高度標準化的形態(tài)利于平臺化及迭代。

此外，圓柱電池單獨外殼保護和獨立泄壓裝置，具有多重保障；電芯蜂窩狀排列，空隙保障了足夠大的單體與外部熱交換面積；更重要的是，其中心對稱的圓形結(jié)構(gòu)可以在全生命周期有效束縛內(nèi)部極片的膨脹，使得電芯外部不發(fā)生任何形變。

從市場來看，今年4月，特斯拉向客戶交付了第一批配備無極耳4680 電池的 Model Y車輛；近期，特斯拉消息稱，其4680電池團隊實現(xiàn)了86.8萬/周的電池制造實力，可支持裝備1000多輛Model Y車型。

無獨有偶，寶馬集團也宣布，將從2025年起率先在“新世代”車型中使用46系大圓柱全極耳電池。頂尖車企相繼“牽手”大圓柱電池，正引領(lǐng)行業(yè)新風向。

全極耳技術(shù)“突破”大圓柱電池“出擊”

然而，在此前一段時間內(nèi)，圓柱電池囿于尺寸及容量問題，應(yīng)用場景受限。電池放電過程中電流通過銅箔、鋁箔匯集，并通過極耳導出到外電路，由于電阻的存在，電池在充放電的過程中不利于電流傳導，電池充放電時極易導致局部熱量過大，存在安全隱患。

此外，由于電芯尺寸做大，特別是大電流充放電的過程中會產(chǎn)生顯著的歐姆熱，引起電池溫度的升高，越粗越大的電芯發(fā)熱越多、散熱越難，進而影響充電速度。

因此，如何解決電芯尺寸做大和發(fā)熱減少的悖論成為其中關(guān)鍵。經(jīng)過行業(yè)的不斷研究，“全極耳”技術(shù)成為解決圓柱電芯的功率性能、安全問題瓶頸的關(guān)鍵所在。

具體來看，全極耳電池是利用全極耳結(jié)構(gòu)進行連接和導流的新型電池，將電芯極片與集流盤通過激光技術(shù)進行本材連接，使極片與蓋板之間過電流能力不低于極片本身，從而大幅提升電池過電流能力、降低電池發(fā)熱量，突破了圓柱電池的瓶頸。

技術(shù)突破下，Panasonic、LG Chem、Samsung SDI和比克電池等國內(nèi)外電池制造商已經(jīng)確認大圓柱電池的開發(fā)。值得一提的是，比克作為國內(nèi)首發(fā)4680全極耳大圓柱電池的電池企業(yè)，已開始規(guī)劃大尺寸圓柱電池量產(chǎn)生產(chǎn)基地，量產(chǎn)指日可待。

從產(chǎn)品矩陣來看，比克大圓柱電池的產(chǎn)品包括46系、3x系和26系等系列，電芯高度覆蓋70mm到160mm，應(yīng)用范圍十分廣泛。值得一提的是，比克大圓柱電池得到了多方實驗驗證，其材料體系可解決能量密度問題，進而解決續(xù)航問題；全極耳設(shè)計則大幅降低了內(nèi)阻，進而對安全保障起到了重要影響。

“快充+熱管理”認證比克大圓柱“領(lǐng)跑”行業(yè)

此前，國際老牌能源類頂級雜志《Journal of Power Sources》發(fā)表了“全極耳大圓柱鋰離子電池在不同環(huán)境條件下的快速充電性能和最佳熱管理”文章，是鋰電行業(yè)內(nèi)首篇使用真實商業(yè)化的全極耳大圓柱電池驗證數(shù)字模型結(jié)論的文章。

該權(quán)威論文使用的全極耳大圓柱電池由比克提供，作者基于專門為汽車高性能應(yīng)用設(shè)計的、成熟的比克全極耳大圓柱電池，建立了熱-電-電化學耦合模型，探究了該電芯的最優(yōu)化充電時間和熱管理策略。

在嚴苛的實驗條件下，比克全極耳大圓柱電池表現(xiàn)優(yōu)異：在20°C環(huán)境下，可11分53秒內(nèi)將電池從10%充到80%；在零下20°C環(huán)境下，可將10%-80%的快充時間優(yōu)化到15分58秒的水平。

總的來看，比克電池在該實驗中實現(xiàn)了不到12分鐘從10%充電到80% SOC 的快速充電時間，快充性能相比常規(guī)單極耳電芯可實現(xiàn)三倍提升，相當于520公里續(xù)航里程，展示了比克全極耳大圓柱電池的巨大潛力。此外，比克電池在快速充電過程，沒有發(fā)生析鋰現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，比克大圓柱電池在全極耳設(shè)計下，采用了鋼殼的外殼材質(zhì)，配套了單獨外殼保護和獨立泄壓裝置，通過定向泄壓技術(shù)，比克全極耳大圓柱電池可以做到整車層面零熱擴散，保證電池包整體的安全和電池全生命周期品質(zhì)的始終如一，熱管理問題得到大幅改善。

與此同時，由于全極耳結(jié)構(gòu)設(shè)計的獨特性，大圓柱電池在材料系統(tǒng)的探索上更為大膽，高鎳三元正極材料、硅基負極材料等在大圓柱電池上的使用更為廣泛，其能量密度也得到了大幅提升。

正極材料方面，比克全極耳大圓柱電池正極鎳含量已由Ni50提升到Ni90，容量持續(xù)提升，18650電芯量產(chǎn)最高容量達3.5Ah，21700電芯量產(chǎn)最高容量達5.3Ah，再次突破了21700系列電芯量產(chǎn)容量極限。

負極材料方面，比克電池較早開始對硅用圓柱電池負極材料進行研究。目前，比克硅氧材料由一代硅已發(fā)展到三代硅，將首效由77%提升至86%，基本達到與正極效率匹配。

在對新材料系統(tǒng)的探索下，安全方面問題也不容忽視。相比石墨材料，硅基材料在充放電過程中，會產(chǎn)生巨大的體積膨脹，高達300%，而圓柱電池通常采用鋼殼，機械強度大，有著很好的束縛力，能夠有效抑制硅的膨脹形成天然屏障。

產(chǎn)品與產(chǎn)能共振比克“多線”布局大圓柱

大圓柱電池能夠在保障安全和足夠的續(xù)航里程的基礎(chǔ)上，進一步提升快充性能，助力電動車使用體驗媲美燃油車。在此情況下，大圓柱電池產(chǎn)能需要配合當下高速增長的新能源車市場。

比克電池作為國內(nèi)較早一批研究全極耳大圓柱電池的企業(yè)，自2021年初在國內(nèi)率先發(fā)布全極耳大圓柱電池至今，比克電池在大圓柱電池技術(shù)研發(fā)和市場化推進上態(tài)勢強勁，訂單和意向客戶持續(xù)增加，比克大圓柱產(chǎn)品矩陣包括46系、3x系和26系等。

具體來看，比克46系電芯去年開始陸續(xù)有樣品批量交付，性能表現(xiàn)符合預期，依據(jù)8-15分鐘的不同快充能力，目前電芯能量密度在280Wh/kg至330Wh/kg之間。

比克26系則以26105鋁殼電芯為主，目前處于B樣階段，應(yīng)用于整車可達700公里以上續(xù)航，快充12分鐘以內(nèi)可達500公里續(xù)航，量產(chǎn)后能量密度將高達290Wh/kg。

比克3x系則處于二者之間，是比克為了進一步綜合優(yōu)化性能、成本、系統(tǒng)設(shè)計等因素在開發(fā)的新平臺。

為迎接即將到來的大圓柱電池擴產(chǎn)潮，比克電池提前規(guī)劃，未來幾年，比克將分兩個階段在海內(nèi)外擴充80GWh的電池產(chǎn)能。同時，比克也將持續(xù)向碳中和目標邁進，打造零碳工廠，滿足碳排放和碳足跡的需求，以行業(yè)領(lǐng)先水平為目標，持續(xù)減少碳排放，積極探索電池全生命周期碳中和路徑。

據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2022年有近60家企業(yè)正在進行圓柱全極耳電池的研發(fā)和中試測試，有10余家基本已經(jīng)走到量產(chǎn)階段；與此同時，材料、設(shè)備等上下游企業(yè)也正加碼高鎳、硅負極等材料布局，加速對全極耳技術(shù)的設(shè)備導入。從行業(yè)整體來看，全極耳大圓柱電池量產(chǎn)或?qū)⒃?023年迎來高速增長。

審核編輯 ：李倩