蜂巢能源引領(lǐng)動力電池“疊時(shí)代”!

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。隨著整車使用時(shí)間的不斷增加會導(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)相對較低，電池的循環(huán)使用壽命更長。

2）疊片電池更能適應(yīng)市場的不斷需求

新能源汽車是我國政府重點(diǎn)扶持的產(chǎn)業(yè)。在2014年，******在上?？疾鞎r(shí)，就指出“發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路”。目前我國新能源乘用車市場已經(jīng)成為全球最大的市場，2018年我國新能源乘用車銷量占全球市場份額的55%，而美國和歐洲市場分別占比不到20%。

圖3 2018年我國新能源汽車銷量結(jié)構(gòu)及全球新能源乘用車市場格局

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，對車用鋰離子電池的結(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、不斷變化的動力電池市場需求。

然而，受限于國產(chǎn)動力用疊片機(jī)的速度慢、效率低等問題，疊片電池并沒有像卷繞電池一樣占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，“疊時(shí)代”的來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)用白皮書發(fā)布

7月10日，在2019年首屆中國國際電動汽車安全技術(shù)創(chuàng)新大會上，蜂巢能源引領(lǐng)發(fā)布了全球首部《電動車用高速疊片動力電池白皮書》，正式宣告了動力電池“疊時(shí)代”的到來。此次疊片工藝白皮書的發(fā)布，刷新了車規(guī)級動力電池的新標(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

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---無鈷和四元電池材料

動力電池的材料技術(shù)路線自誕生以來就不斷發(fā)展，三元動力電池是目前高能量密度型車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。

大家可能會感興趣，無鈷或低鈷的價(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)，對于“疊時(shí)代”來說意義重大。作為引領(lǐng)者的蜂巢能源在此次會議上除了發(fā)布全球首部疊片電池應(yīng)用白皮書以外，也向我們展示了其自主研發(fā)的無鈷和四元電池材料。

1）無鈷電池材料

蜂巢能源首推無鈷電池材料，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:摻雜無未成對的電子自旋元素，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 蜂巢能源無鈷材料與NCM811性能對比

蜂巢能源推出的無鈷材料克容量達(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℃，電壓平臺比NCM811系列產(chǎn)品略高（0.04V）。更為重要的是，由于無鈷的存在，整個(gè)三元材料的成本下降5%-15%，對于整車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：

A：通過雙導(dǎo)電層包覆，能有效改善材料放電比容量偏低的問題；

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，對電池成本的降低意義重大。

此次蜂巢能源全球首推無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，尤其是對于新能源電池行業(yè)。“疊時(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)如市場需求大數(shù)據(jù)、產(chǎn)品性能預(yù)測、故障預(yù)警自動分析、不良原因分析、自動檢測以及路徑實(shí)時(shí)優(yōu)化等方面的完全自動化，這也將是引領(lǐng)行業(yè)，為中國制造樹立一個(gè)新的標(biāo)桿。

2）多場景、高性能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

隨著“疊時(shí)代”的到來，動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，為滿足不同客戶群體在不同場景下對整車的使用需求，也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電芯及電池模組，目前主要針對運(yùn)營類車型、市內(nèi)代步類車型以及城際出行類車型。

對于運(yùn)營類車型，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)約出租車日常使用場景。對于短途代步類車型，蜂巢能源設(shè)計(jì)的104Ah及56Ah（軟包）電芯/模組，可滿足A00級純電動車型300-400km的續(xù)駛里程，單體循環(huán)壽命超過2000次以上。

對于城際出行類車型，蜂巢能源又分別推出適用于A級家用車、高端豪華車的不同類型電芯/模組。基于大眾MEB純電動專屬平臺，研發(fā)設(shè)計(jì)全新標(biāo)準(zhǔn)尺寸電芯、模組及PACK。疊片工藝對于該尺寸產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢，拓展性極強(qiáng)。

對于插電式混合動力車型，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)異的用戶體驗(yàn)。

圖 9 蜂巢能源研發(fā)的51Ah PHEV電芯/模組

新能源汽車安全事故頻發(fā)，整車的安全性不能只關(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)級的安全，還關(guān)注與材料級、電芯級、工藝級等相關(guān)的所有安全，開展機(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)

編者寫在最后：

隨著全球首部疊片電池應(yīng)用白皮書的發(fā)布，動力電池3.0“疊時(shí)代”已然來臨。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”，開創(chuàng)動力電池領(lǐng)域的新局面。