文｜上海汽車報(bào)
電動(dòng)汽車時(shí)代的到來(lái)，讓電池變得越來(lái)越重要。電池行業(yè)呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，不僅產(chǎn)能快速提升，迎來(lái)TWh時(shí)代。更重要的是，新技術(shù)的推陳出新不斷打破人們過(guò)去的認(rèn)知邊界，實(shí)現(xiàn)新的突破。
在2022電動(dòng)汽車百人會(huì)上，各種電池技術(shù)路線涇渭分明，百花齊放。大圓柱46系列電池被松下、億緯鋰能和比克等企業(yè)熱捧，寧德時(shí)代發(fā)布麒麟電池，Apollo混合液態(tài)鋰金屬電池處于樣品開(kāi)發(fā)階段……
磷酸鐵鋰電池VS三元鋰電池
兩款電池的負(fù)極、電解液及隔膜等均類似，最大的區(qū)別在于正極材料，并以此命名。三元鋰電池有NCM和NCA兩種類型。NCA鎳鈷鋁電池主要應(yīng)用于圓柱電池系列。而國(guó)內(nèi)絕大部分車型采用NCM鎳鈷錳電池。三元常見(jiàn)的表達(dá)方式是在NCM后加一串?dāng)?shù)字，例如NCM523、NCM811等，代表了鎳、鈷、錳在電池材料中的占比。從NCM523到NCM811，高鎳低鈷甚至無(wú)鈷化趨勢(shì)越發(fā)明顯。
受結(jié)構(gòu)影響，磷酸鐵鋰（LFP）和三元鋰電池在性能方面各有優(yōu)劣。從電芯層面來(lái)講，三元鋰電池能量密度更高。三元NCM電池還可以通過(guò)提高Ni元素比例，進(jìn)一步提高實(shí)際比容量（mAh/g），從而提高電芯能量密度。磷酸鐵鋰電池在安全方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，正極電壓低，不存在類似于三元鋰電池的釋氧熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，熱穩(wěn)定溫度可以達(dá)到300℃以上，而三元鋰電池在150-200℃之間。成本上，磷酸鐵鋰有明顯優(yōu)勢(shì)，原材料價(jià)格相對(duì)便宜。粗略比較，磷酸鐵鋰價(jià)格要比三元鋰電池便宜0.1~0.2元/Wh。對(duì)于一個(gè)50kWh電池包，僅電芯就可降本0.5萬(wàn)~1萬(wàn)元。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，三元鋰電池在能量密度、快充速度方面有優(yōu)勢(shì)，磷酸鐵鋰電池在循環(huán)壽命、安全、經(jīng)濟(jì)性上有優(yōu)勢(shì)。
比亞迪 “刀片電池”
2020年3月，比亞迪正式發(fā)布刀片電池，并首先搭載于“漢”車型。所謂的“刀片電池”，實(shí)際上是比亞迪的新一代磷酸鐵鋰電池，也被稱為超級(jí)磷酸鐵鋰電池。之所以被命名為“刀片電池”，主要是因?yàn)殡姵貑卧呐渲孟瘛暗镀币粯硬迦氲诫姵亟M中。“刀片電池”采用長(zhǎng)度在0.6米以上的大電池單元，可以無(wú)模塊直接集成到電池組CTP（Cell to PACK）中，從而達(dá)成在相同的空間內(nèi)裝入更多電芯的設(shè)計(jì)目標(biāo)，大幅提高了電池組的空間利用率（50%以上）。也就是說(shuō)，車輛續(xù)航里程可提升50%以上，達(dá)到了高能量密度三元鋰電池的同等水平。另外，“刀片電池”的單元具有更大的散熱面積，使得它在短路時(shí)產(chǎn)熱少、散熱快。
寧德時(shí)代“麒麟電池”
寧德時(shí)代通過(guò)不斷進(jìn)行技術(shù)迭代，推出了第三代CTP技術(shù)，內(nèi)部稱其為“麒麟電池”，系統(tǒng)重量、能量密度及體積能量密度繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)。資料顯示，麒麟電池采用磷酸鐵鋰時(shí)，系統(tǒng)能量密度超過(guò)160Wh/kg、290Wh/L；采用三元體系時(shí)，系統(tǒng)能量密度可以達(dá)到250Wh/kg、450Wh/L。在相同的化學(xué)體系、同等電池包尺寸下，麒麟電池包的電量相比4680系統(tǒng)可以提升13%。預(yù)計(jì)“麒麟電池”將于近期正式發(fā)布。
方形VS軟包VS大圓柱電池
鋰電池按封裝形式區(qū)分，可以分為圓柱電池、方形電池和軟包電池。
圓柱電芯的優(yōu)勢(shì)在于單體一致性好；單體能量小，發(fā)生事故時(shí)，形勢(shì)易于控制；技術(shù)成熟，成本低。因?yàn)閱误w電池容量較小，只能通過(guò)大幅增加電芯數(shù)量滿足容量需求，對(duì)BMS電池管理系統(tǒng)要求也較高。
方形電池的空間利用率相對(duì)于圓柱電池更高，單體容量大，能量密度較高；單體數(shù)量少，BMS系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性相對(duì)較好；尺寸定制化生產(chǎn)自由度高，產(chǎn)品型號(hào)多，導(dǎo)致制造工藝不統(tǒng)一。
軟包電池的外殼采用鋁塑膜材質(zhì)，與采用鋁殼的方形和圓柱電池相比，重量更輕。同等容量，軟包電池的重量要輕20％。在發(fā)生安全隱患的情況下，軟包電池最多只會(huì)鼓氣裂開(kāi)，安全性好。由于軟包電池具有非常多的型號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
當(dāng)下，動(dòng)力電池市場(chǎng)形成了方殼/刀片、軟包、圓柱三種形態(tài)“三分天下”的局面，三種電池之間各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。但就電芯能量密度方面來(lái)說(shuō)，軟包電池的能量密度最大，方形電池次之，圓柱電池最小。方形電池是目前鋰電池領(lǐng)域應(yīng)用面最廣的電池，比亞迪、吉利、蔚來(lái)、奧迪、寶馬等國(guó)內(nèi)外車企均采用方形電池，代表性產(chǎn)品是寧德時(shí)代的NCM811電池。軟包電池在汽車市場(chǎng)上的應(yīng)用正在變得越來(lái)越多，被戴姆勒、廣汽等車企采用，國(guó)內(nèi)主要供應(yīng)商是孚能科技。圓柱電池在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比約為10%，全球市場(chǎng)為23%，明顯低于方形和軟包電池。隨著特斯拉推出4680電池，圓柱電池聲勢(shì)大振。比克電池預(yù)計(jì)，到2025年，大圓柱電池至少會(huì)占據(jù)30%以上的市場(chǎng)份額。目前，有很多大型新能源車企敲定了未來(lái)5-10年，經(jīng)濟(jì)型車型采用方殼/刀片磷酸鐵鋰電池，中高端車型采用“三元+硅大圓柱電池”的布局。
特斯拉4680型無(wú)極耳電池
2020年9月，特斯拉首次公布了4680（直徑46毫米、高度80毫米）圓柱體電池技術(shù)。4680電池內(nèi)部采用了無(wú)極耳設(shè)計(jì)，電極導(dǎo)電涂層和電池端蓋的有效接觸面積可達(dá)到100%，極大地提升了散熱能力。此外，4680電池還采用了“CTC（Cell to Chassis，底盤電池）”電池包設(shè)計(jì)，取消了內(nèi)部模塊，直接由電池組成，帶來(lái)了更高的空間利用率，提升了整個(gè)電池組的能量密度。相較于當(dāng)前Model 3/Y使用的2170（直徑21毫米，高度為70毫米）電池，4680電池單體容量提升了5倍，電力容量提升了6倍，電池組中的電芯數(shù)量由4400個(gè)減少到960個(gè)，成本降低了14%，整車?yán)m(xù)航里程提升了16%。目前，4680電池正在工廠實(shí)驗(yàn)產(chǎn)線上接近完工，今年年內(nèi)開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)。
固態(tài)電池VS鋰離子電池
固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰離子電池相比，最大的不同在于電解質(zhì)。固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)，替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。采用鋰金屬為負(fù)極材料的全固態(tài)鋰金屬電池是固態(tài)電池的最優(yōu)發(fā)展方向。該技術(shù)可從本質(zhì)上提升電池的安全性和高能量密度，能量密度可達(dá)液態(tài)鋰電池的2倍以上，但目前仍有一些關(guān)鍵技術(shù)和工藝問(wèn)題需要攻克，量產(chǎn)和商業(yè)化還面臨著諸多難題。而現(xiàn)有的鋰電技術(shù)（包括液態(tài)電池及半固態(tài)電池），在2030年前仍將占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。其中，半固態(tài)電池是液態(tài)電池向固態(tài)電池發(fā)展的過(guò)渡方案，通過(guò)采用原位固態(tài)化等技術(shù)，使液態(tài)電解質(zhì)部分或全部轉(zhuǎn)化為固態(tài)電解質(zhì)，電池能力密度大幅提升，同時(shí)可兼容現(xiàn)有電解液電池的工藝設(shè)備和材料，實(shí)現(xiàn)較低成本量產(chǎn)。目前，孚能科技、衛(wèi)藍(lán)新能源、國(guó)軒高科等企業(yè)已開(kāi)發(fā)出半固態(tài)電池，有望實(shí)現(xiàn)裝車。
SES“Apollo混合液態(tài)鋰金屬電池”
2021年11月，動(dòng)力電池初創(chuàng)企業(yè)SES發(fā)布了Apollo混合液態(tài)鋰金屬電池，容量高達(dá)107 Ah，重量?jī)H為0.982 kg，能量密度為417 Wh/kg、935 Wh/L，是目前全球單體容量最大的鋰金屬電池，也是世界上首個(gè)超過(guò)100Ah的單體鋰金屬電池。目前，SES和通用汽車、現(xiàn)代、本田三家車企進(jìn)行樣品的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，按目前的計(jì)劃，產(chǎn)品將于2025年正式量產(chǎn)。
Apollo混合液態(tài)鋰金屬電池介于鋰離子電池與固態(tài)鋰金屬電池之間，兼顧兩者優(yōu)勢(shì)。在混合鋰金屬電池中，采用了高濃度溶劑鹽電解液，不是固態(tài)電解質(zhì)，不影響隔膜的使用，最大的創(chuàng)新在于負(fù)極由石墨、硅材料替換成了超寬、超薄的鋰金屬。這使得混合鋰金屬電池兼具固態(tài)電池的特性，能量密度更高，重量更輕，同時(shí)也更安全。