動(dòng)力電池的疊時(shí)代到底是什么

近一段時(shí)間，“疊時(shí)代”這個(gè)名詞頻頻出現(xiàn)在各大新聞媒體平臺(tái)和朋友圈，掀起了一股新能源動(dòng)力電池領(lǐng)域的浪潮。我們不禁好奇要問(wèn)：究竟什么是“疊時(shí)代”？“疊時(shí)代”又有哪些特點(diǎn)?

疊時(shí)代”應(yīng)是動(dòng)力電池領(lǐng)域的3.0時(shí)代。鋰電行業(yè)經(jīng)歷了3C數(shù)碼“1.0時(shí)代”和以之為基礎(chǔ)而衍生出的第一代“車(chē)用鋰電池2.0時(shí)代”，然而高性能、安全、耐久的單體大容量電芯一直是業(yè)內(nèi)追求的目標(biāo)，也是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模推進(jìn)的基礎(chǔ)。

新的時(shí)代必然有其獨(dú)有的創(chuàng)新點(diǎn)，“疊時(shí)代”亦是如此。正如蜂巢能源總經(jīng)理?xiàng)罴t新向我們闡述的一樣：“疊時(shí)代”是在新能源動(dòng)力電池革新的道路上，以疊工藝為特征，新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)、新材料、新技術(shù)大量涌現(xiàn)，并專(zhuān)為電動(dòng)汽車(chē)而生的時(shí)代。

圖1 蜂巢能源總經(jīng)理?xiàng)罴t新

本文以此“四新”為出發(fā)點(diǎn)，拋磚引玉，探討究竟什么是蜂巢能源引領(lǐng)的“疊時(shí)代”。

一、“疊時(shí)代”新工藝---高速疊片工藝

動(dòng)力鋰電池的形態(tài)目前主要有三種，圓柱電芯、軟包電芯和方形硬殼電芯。卷繞工藝一直占據(jù)著市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，目前國(guó)際主流的鋰離子電芯制造企業(yè)，如松下公司的圓柱型鋰離子電芯，韓國(guó)三星公司、中國(guó)CATL公司的方形鋰離子電芯的卷芯均是采用卷繞工藝路線。

1）疊片電池具有更高的能量密度和安全性

卷繞工藝電池與疊片工藝電池相比主要差異在于極組成型方式的不同。卷繞工藝正負(fù)極片是連續(xù)的，疊片工藝正負(fù)極片是片狀物料。卷繞工藝，在檢測(cè)到極片上的mark孔時(shí)進(jìn)行裁斷，完成一個(gè)極組的卷繞，而疊片電芯是按照正負(fù)極片的設(shè)定數(shù)量進(jìn)行疊片，數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)完成一個(gè)電芯的疊片。

圖2 鋰電池卷繞和疊片極組成型工序?qū)Ρ?/p>

相比于卷繞形態(tài)的電池，疊片工藝因其特有的形態(tài)擁有更高的能量密度和界面穩(wěn)定性。在鋰電池循環(huán)過(guò)程中，電池的正負(fù)極極片均有不同程度的膨脹。

受卷繞拐角處內(nèi)外層內(nèi)應(yīng)力不一致的影響，卷繞的電芯會(huì)發(fā)生變形甚至?xí)谝恍┕战浅霭l(fā)生褶皺甚至斷裂。隨著整車(chē)使用時(shí)間的不斷增加會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)的加劇，引發(fā)安全隱患。而疊片的電芯應(yīng)力分布更為一致，每層膨脹相近，界面平整，安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，電池的循環(huán)使用壽命更長(zhǎng)。

2）疊片電池更能適應(yīng)市場(chǎng)的不斷需求

新能源汽車(chē)是我國(guó)政府重點(diǎn)扶持的產(chǎn)業(yè)。在2014年，******在上?？疾鞎r(shí)，就指出“發(fā)展新能源汽車(chē)是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路”。目前我國(guó)新能源乘用車(chē)市場(chǎng)已經(jīng)成為全球最大的市場(chǎng)，2018年我國(guó)新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量占全球市場(chǎng)份額的55%，而美國(guó)和歐洲市場(chǎng)分別占比不到20%。

圖3 2018年我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量結(jié)構(gòu)及全球新能源乘用車(chē)市場(chǎng)格局

隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，對(duì)車(chē)用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也在不斷提高。同時(shí)，動(dòng)力鋰電池面臨著補(bǔ)貼退坡、“白名單”取消、安全事故頻發(fā)等一系列挑戰(zhàn)。疊片工藝生產(chǎn)出來(lái)的卷芯尺寸靈活，不受卷繞卷針結(jié)構(gòu)的限制，極片的界面平整度高，安全性可靠，更能適應(yīng)不斷發(fā)展、不斷變化的動(dòng)力電池市場(chǎng)需求。

然而，受限于國(guó)產(chǎn)動(dòng)力用疊片機(jī)的速度慢、效率低等問(wèn)題，疊片電池并沒(méi)有像卷繞電池一樣占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，“疊時(shí)代”的來(lái)臨必須以高速疊片工藝的創(chuàng)新為前提。

二、“疊時(shí)代”新標(biāo)準(zhǔn)---全球首部疊片電池應(yīng)用白皮書(shū)發(fā)布

7月10日，在2019年首屆中國(guó)國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)安全技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)上，蜂巢能源引領(lǐng)發(fā)布了全球首部《電動(dòng)車(chē)用高速疊片動(dòng)力電池白皮書(shū)》，正式宣告了動(dòng)力電池“疊時(shí)代”的到來(lái)。此次疊片工藝白皮書(shū)的發(fā)布，刷新了車(chē)規(guī)級(jí)動(dòng)力電池的新標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 蜂巢能源引領(lǐng)發(fā)布全球首部疊片電池應(yīng)用白皮書(shū)

蜂巢能源采用方形鋁殼疊片工藝，實(shí)現(xiàn)高速疊片領(lǐng)域的創(chuàng)新性技術(shù)成果。目前已完成首例45度旋轉(zhuǎn)式高速疊片的開(kāi)發(fā)與導(dǎo)入，疊片效率可達(dá)0.6s/pcs/單工位，超出傳統(tǒng)疊片設(shè)備效率40%以上。同時(shí)已完成0.45s/pcs/單工位疊片速度驗(yàn)證與樣機(jī)的開(kāi)發(fā)制作，并在2023年預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)0.25s/pcs/單工位疊片設(shè)備開(kāi)發(fā)。

圖5 蜂巢能源高速疊片技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃

三、“疊時(shí)代”新材料---無(wú)鈷和四元電池材料

動(dòng)力電池的材料技術(shù)路線自誕生以來(lái)就不斷發(fā)展，三元?jiǎng)恿﹄姵厥悄壳案吣芰棵芏刃蛙?chē)用鋰電池的主流路線。三元正極材料（NCM或NCA）存在協(xié)同效應(yīng)，其電化學(xué)性能優(yōu)于任何單一材料。

提高三元鎳鈷錳材料中鎳含量可以提高材料的可逆嵌鋰容量，但是容易發(fā)生陽(yáng)離子混排現(xiàn)象，使材料發(fā)生不可逆的容量損失。引入鈷可以提高材料的電子電導(dǎo)率，減弱離子混排現(xiàn)象，穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)，提升材料的倍率及循環(huán)穩(wěn)定性。

大家可能會(huì)感興趣，無(wú)鈷或低鈷的價(jià)值是什么？在三元電芯的成本結(jié)構(gòu)分析中，正極材料的比重最大，占整個(gè)成本的40%左右，而其中鈷又占據(jù)了正極材料的約20%。作為一種戰(zhàn)略資源，它的價(jià)格也是及其昂貴的，2016年、2017年都出現(xiàn)了鈷的高點(diǎn)。

因此新材料體系的出現(xiàn)，對(duì)于“疊時(shí)代”來(lái)說(shuō)意義重大。作為引領(lǐng)者的蜂巢能源在此次會(huì)議上除了發(fā)布全球首部疊片電池應(yīng)用白皮書(shū)以外，也向我們展示了其自主研發(fā)的無(wú)鈷和四元電池材料。

1）無(wú)鈷電池材料

蜂巢能源首推無(wú)鈷電池材料，是基于電子耦合作用和體積結(jié)構(gòu)變化兩個(gè)方面的考慮：

A:摻雜無(wú)未成對(duì)的電子自旋元素，減弱電子超交換的現(xiàn)象，降低Li/Ni混排，提高電性能；

B：摻雜M-O鍵能大的元素，減緩晶體在充放電過(guò)程的體積變化，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高循環(huán)性能和安全性。

圖6 蜂巢能源無(wú)鈷材料與NCM811性能對(duì)比

蜂巢能源推出的無(wú)鈷材料克容量達(dá)到210mAh/g以上，首次效率90%，50周扣電98%以上，DSC放熱峰值溫度大約210℃，電壓平臺(tái)比NCM811系列產(chǎn)品略高（0.04V）。更為重要的是，由于無(wú)鈷的存在，整個(gè)三元材料的成本下降5%-15%，對(duì)于整車(chē)成本的降低也有十分重要的意義。

2）四元電池材料

蜂巢能源首推四元材料是在現(xiàn)有NCM三元材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)Al摻雜，使一次顆粒之間的邊界強(qiáng)度增強(qiáng)，減少在有害的相轉(zhuǎn)變過(guò)程中微隙的形成。相較于傳統(tǒng)三元材料，有兩個(gè)核心優(yōu)勢(shì)：

A：通過(guò)雙導(dǎo)電層包覆，能有效改善材料放電比容量偏低的問(wèn)題；

B：Al均勻摻雜能有效改善材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高高溫循環(huán)性能。

圖7 蜂巢能源四元材料與NCM811性能對(duì)比

蜂巢能源推出的四元材料克容量達(dá)到215mAh/g以上，首次效率90%，50周扣電99%以上，DSC放熱峰值溫度大約219℃。同樣，與NCM811系列產(chǎn)品相比,Co含量降低一半，對(duì)電池成本的降低意義重大。

此次蜂巢能源全球首推無(wú)鈷電池和四元電池材料體系，在一定程度上降低了電池材料甚至整車(chē)的成本，同時(shí)使整個(gè)電池系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了電池的循環(huán)壽命及安全性。這不僅是一個(gè)戰(zhàn)略性的開(kāi)發(fā)，也是具有全球非常前瞻性和先進(jìn)性的成果。

四、“疊時(shí)代”新技術(shù)---AI工廠及多場(chǎng)景、高性能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

1）AI工廠

工廠制造標(biāo)準(zhǔn)，是判斷一個(gè)企業(yè)是否擁有先進(jìn)技術(shù)的標(biāo)桿，尤其是對(duì)于新能源電池行業(yè)?！隘B時(shí)代”的鋰電制造工廠，也將是以AI工廠為標(biāo)準(zhǔn)的新時(shí)代工廠。

作為引領(lǐng)者的蜂巢能源一直以信息化、無(wú)人化、可視化、集成化作為工廠的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。正在建設(shè)的常州工廠區(qū)將采用智能配送、數(shù)字化看板與分析、質(zhì)量追溯分析、數(shù)字化質(zhì)量檢驗(yàn)等智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖8蜂巢新能AI（人工智能）工廠

此舉將逐步實(shí)現(xiàn)如市場(chǎng)需求大數(shù)據(jù)、產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)、故障預(yù)警自動(dòng)分析、不良原因分析、自動(dòng)檢測(cè)以及路徑實(shí)時(shí)優(yōu)化等方面的完全自動(dòng)化，這也將是引領(lǐng)行業(yè)，為中國(guó)制造樹(shù)立一個(gè)新的標(biāo)桿。

2）多場(chǎng)景、高性能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

隨著“疊時(shí)代”的到來(lái)，動(dòng)力電池除了在工藝和材料上要做到創(chuàng)新以外，新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)技術(shù)也同樣十分重要。

作為引領(lǐng)者的蜂巢能源，為滿(mǎn)足不同客戶(hù)群體在不同場(chǎng)景下對(duì)整車(chē)的使用需求，也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電芯及電池模組，目前主要針對(duì)運(yùn)營(yíng)類(lèi)車(chē)型、市內(nèi)代步類(lèi)車(chē)型以及城際出行類(lèi)車(chē)型。

對(duì)于運(yùn)營(yíng)類(lèi)車(chē)型，蜂巢能源設(shè)計(jì)研發(fā)的86Ah電芯/模組，可實(shí)現(xiàn)2C快充，充電時(shí)長(zhǎng)30min內(nèi)，續(xù)航里程達(dá)到400-450km之間，足以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)約出租車(chē)日常使用場(chǎng)景。對(duì)于短途代步類(lèi)車(chē)型，蜂巢能源設(shè)計(jì)的104Ah及56Ah（軟包）電芯/模組，可滿(mǎn)足A00級(jí)純電動(dòng)車(chē)型300-400km的續(xù)駛里程，單體循環(huán)壽命超過(guò)2000次以上。

對(duì)于城際出行類(lèi)車(chē)型，蜂巢能源又分別推出適用于A級(jí)家用車(chē)、高端豪華車(chē)的不同類(lèi)型電芯/模組?；诖蟊奙EB純電動(dòng)專(zhuān)屬平臺(tái)，研發(fā)設(shè)計(jì)全新標(biāo)準(zhǔn)尺寸電芯、模組及PACK。疊片工藝對(duì)于該尺寸產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢(shì)，拓展性極強(qiáng)。

對(duì)于插電式混合動(dòng)力車(chē)型，蜂巢能源設(shè)計(jì)研發(fā)的51Ah PHEV電芯/模組，可使插電式混合動(dòng)力純電續(xù)航里程從50km提升至80km,疊片電芯超高的功率特性及循環(huán)壽命提供更加優(yōu)異的用戶(hù)體驗(yàn)。

圖 9 蜂巢能源研發(fā)的51Ah PHEV電芯/模組

新能源汽車(chē)安全事故頻發(fā)，整車(chē)的安全性不能只關(guān)注于電芯本身，必須用系統(tǒng)思維解決這個(gè)問(wèn)題，要做全方位的安全設(shè)計(jì)。

蜂巢能源不僅關(guān)注系統(tǒng)級(jí)的安全，還關(guān)注與材料級(jí)、電芯級(jí)、工藝級(jí)等相關(guān)的所有安全，開(kāi)展機(jī)理設(shè)計(jì)和可靠性研究。其研發(fā)的高性能iBMS系統(tǒng)可對(duì)SOC高精度控制，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了智能、網(wǎng)聯(lián)、集成和創(chuàng)新于一體。

圖 10 蜂巢新能源研發(fā)的高性能iBMS系統(tǒng)

編者寫(xiě)在最后：

隨著全球首部疊片電池應(yīng)用白皮書(shū)的發(fā)布，動(dòng)力電池3.0“疊時(shí)代”已然來(lái)臨。新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)、新材料、新技術(shù)的大量涌現(xiàn)將極大推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展，作為“疊時(shí)代”引領(lǐng)者的蜂巢能源，必將掀起一股“青春風(fēng)暴”，開(kāi)創(chuàng)動(dòng)力電池領(lǐng)域的新局面。