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宁德时代、国轩高科和蜂巢能源动力电池技术大比拼

2021-07-06 浏览次数:1,475 次 第一电动网

目前动力电池技术的进展如何?

2021年6月30日,由长城汽车主办的“引领低碳转型 驱动绿能战略——长城汽车第8届科技节碳中和论坛”在保定电谷国际酒店举行。会上,长城汽车邀请了宁德时代和国轩高科相关领导进行分享,再加上长城控股体系下的蜂巢能源,刚好可以理一下主流代表企业在电池各项代表技术上的进展情况。

《电动汽车观察家》从电池材料体系、固态电池技术进展、集成化路线、长寿命、低温性能、快充情况、智能化等多角度探讨动力电池技术的进展。

1

材料体系演进

从去年来,磷酸铁锂电池占比大幅回升,低钴、无钴电池和固态电池的消息也是此起彼伏,电池技术仍在小幅快速迭代。

(1)磷酸铁锂仍有前景

宁德时代新能源科技有限公司技术副总裁、工程总监项延火表示,宁德时代规划三代磷酸铁锂电池,支撑电动汽车的续驶里程400—600+公里。

目前宁德时代的磷酸铁锂电芯能量密度在180-200Wh/kg区间内,体积能量密度可以做到350-450Wh/L,下一代磷酸铁锂电芯的能量密度在210-230Wh/kg,体积能量密度在450-500Wh/L之间。

宁德时代化学体系路线图

深耕磷酸铁锂的还有国轩高科。

1月份,国轩高科在第十届科技大会暨供应商大会上发布,单体能量密度达到210Wh/Kg磷酸铁锂的软包电芯,当时的规划是明年量产。

国轩高科主要采用了自主研发高性能LFP正极材料、硅负极材料,以及预锂化技术之后的成果。

甚至,国轩高科宣称其磷酸铁锂电芯已超过了常规NCM523电池的水平,接近NCM622的能量密度。但是它更加安全,市场应用前景更加可观。

虽然蜂巢能源是以三元电池技术亮相市场,但是如今其在磷酸铁锂电池领域的布局占比也很大。

根据蜂巢能源董事长兼CEO杨红新的预测,明年蜂巢能源磷酸铁锂电池的产量占比大概在40%左右,与三元占比基本差不多。

在长城科技节的展厅里,从蜂巢能源的电芯技术路线图看,2020年底,他们已经做到磷酸铁锂正极+石墨负极170Wh/Kg的能量密度,2022年做到200Wh/Kg,2023年负极通过添加硅可以做到230Wh/Kg。

蜂巢电芯技术路线图

可见,主流电池企业都有深耕磷酸铁锂电池的规划。

(2)三元低钴、无钴化发展

与磷酸铁锂电池不同,三元电池的主要瓶颈是价格,降低价格起伏最大的钴是企业的共同愿望。

宁德时代也有无钴电池的规划,不过从宁德时代会上的ppt上看,其无钴的亮相会在2024年左右,能量密度要做到250Wh/kg以上。

合肥国轩高科动力能源有限公司高级副总裁徐兴无则认为钴还是必要的,“镍是提高容量的,钴是稳定结构,提升导电性能,用锰来取代钴的话电导率比较低,综合能量密度不高,循环也不太好他们希望找到一个平衡点,降钴但不是降到零。”

徐兴无将这种低钴材料电池称为多元低钴的三元材料,降钴提锰,目标是将钴降到1%的水平,基本上维持现有的性能没有太大变化,或者说不能太差。

国轩高科低钴三元

在无钴电池方面,进展最快的当属蜂巢电池。他们无钴电池搭载的车型8月份成都车展就会发布。这也是全球第一款搭载无钴电池的整车。

此外,蜂巢正在为长城开发两款无钴电池,明年各家车企加在一起会有4-5款车型使用无钴电池。

蜂巢无钴“短刀片”电池

2

固态电池应用仍有距离

从技术路线上看,再远一点最可能落地的是固态电池。

不过,宁德时代方面希望推出的是全固态电池,所以他们认为全固态电池真正量产是时间点在2028年或者2030年。

项延火表示,在此期间,他们也在研究其他技术,例如无稀有金属电池和锂空电池技术等。

国轩高科在固态电池方面也有布局,不过徐兴无也坦言,难度很大。

“完全靠固态电池,导电率还没有达到液态的水平,界面很难解决,所以采取折中的办法。”

折中的办法就是固液混合的电解质,或者说是半固态电池,业内大部分企业的固态电池都处于这一阶段。

目前国轩高科半固态电池主要于以安全为主,性能方面能够做到610Wh/L、300Wh/kg、循环1000次的程度,安全性可以满足高端客户的需求。

资料来源:国轩高科ppt

2023年,国轩高科进入高性能固态电池发展阶段,目标是2025年后做出能量密度方面超过800Wh/L、超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池,采用富锂材料、硫系或其他正极材料,负极方面采用锂负极及界面修饰技术。

蜂巢能源也在研发全固态电池。“硫化物,氧化物两个体系都在做,但说实话挑战非常大。”杨红新说。

根据蜂巢无锡118创新中心展示的宣传图片,他们的计划是2021年底产出第一代、复合电解质固态电池,能量密度在250-300wh/kg,2030年底做出第四代、全固态电解质的电池,能量密度在450-500wh/kg。

蜂巢固态电池规划

蜂巢虽然也有半固态电池产品的技术储备,但是杨红新表示,对于半固态电池的商业化前景还无法判断。“现在我们找不到半固态电池的核心卖点在哪里。”

3

集成化路线:殊途同归

除了电池材料,电池集成技术也在不断发展。

项延火介绍说,在2019年之后,宁德时代大部分产品都是采用CTP集成技术,分别开发出了能量密度180-200Wh/kg的电池系统。从远期来看,宁德时代是希望将电芯和底盘集成在一起。“第一代CTC集成产品预计在2025年前后进行量产,更智能化CTC产品预计2028-2030年左右推出市场应用。”

宁德时代电池系统集成化路线图

蜂巢能源也采用CTP集成技术,原理与宁德时代基本相似。蜂巢能源对外宣传的数据是,与传统590模组相比,蜂巢CTP第一代减少24%的零部件,第二代成组效率提升5-10%,空间利用率提升5%,零部件数量再减少22%。

长城汽车PACK集成路线图

同样根据长城科技节上的展览,长城汽车公布的PACK集成技术路线图看,他们在2021年左右就将实现采用蜂巢“刀片电池”的CTP技术,到2023年中实现第一代CTC技术,2026年实现PACK与整车深度集成,电池包能量密度可达300+Wh/Kg。这意味着同样体积的乘用车,续航里程比现在大约翻一倍。

国轩高科的集成技术与这三家有所差异。

国轩高科的技术叫做JTM(Jelly Roll to Module,从卷芯到模组),是直接用卷芯放在模组里面,一次完成制作。

徐兴无表示,这种工艺非常简单,成本低,制造过程简单,易形成标准化。不管走大众MEB平台,还是适度柔性大模组概念,都能适用。“就像变形金刚,基本上95%都能够通过我们这种方式做到刀片电池的水平,他们的能量密度我们也能达到,殊途同归。”

JTM的最大不同,就是从卷芯直接到模组的一体化制造技术。JTM产品采用了特殊材料和工艺制作的塑壳,以及更加高效集成的成组技术,使它以简单设计的合成理念,真正实现了从原材料,直接制备模组或电池包的最终目的。

国轩高科JTM电池

4

长寿命电池

锂离子电池在使用过程中面临的一大问题就是衰减严重。

宁德时代在技术研发方面,也在致力于推出超长寿命电池。

2020年6月,宁德时代对外表示,其研发出了电池采用自修复长寿命技术,可实现16年超长寿命或200万公里行驶里程,成本较现有电池增加不到10%。

这种电池在循环1500次之后,仍然是“零”衰减。

宁德时代长寿命电池

项延火表示,宁德时代打造超长寿命技术,为的是解决续航里程痛点,实现产品保值和增值。

徐兴无也表示,国轩高科目前也在研发循环寿命在1万次以上的长寿命电池。他也认为,这为电池的梯次利用留下了巨大空间。

蜂巢能源在长寿命电池方面没有较多的宣传,不过其去年发布的款无钴电芯,其中E平台的电池主要应用在中等里程车型中,电芯循环寿命可达到4000次以上。蜂巢的无钴电池可支持电动汽车行驶800公里以上,使用寿命超过15年120万公里。

5

低温性能

对于动力电池的另一个弱点,低温性能差,也是这些企业着力攻克的技术之一。

项延火介绍说,他们通过电芯性能的提升,可以使电池在功率、能量保持率上都有所提升,可以提升5%-8%的叙事里程。

此外,宁德时代还会在系统层面叠加自加热技术,实现2~5度每分钟的速热,这样的话能够在-30度的环境下,只消耗四五个点的电量,达到与常温接近的电池系统的能量。

宁德时代电池加热技术

国轩高科低温性能的改进,主要集中在前沿电解液的开发上。在国轩高科第十届科技大会上,其工程研究总院院长蔡毅就透露了,国轩高科在新电解液配方上的进展,“国轩新电解液配方能够提升铁锂电池低温性能超过20%;三元电解液新配方能够帮助高温直流内阻下降10%;前沿凝胶电解质已经通过客户安全针刺实验。”

不过蔡毅表示,电解液项目成果需要两年后才能看到。

蜂巢没有集中介绍过低温性能,但是杨红新透露,之所以推出磷酸铁锂,也是因为它的低温性能比此前已经大为改善。另外,蜂巢也在研发一项电池加热技术,将有效改善低温性能。

6

快充:10分钟400公里

消费者对电动汽车的诉求,是能做到与燃油车类似的体验,因此在充电速度上,希望能够快一点,再快一点。

宁德时代目前在快充产品上,已经开发了2C-5C系列的产品,2C的产品实现能够实现20分钟、4C的产品就能够实现10分钟,5C的产品可能就5~8分钟,就能够跑要400公里的诉求。

宁德时代超快充技术

蜂巢能源正在开发快充型产品,寿命提升33%,能量密度也可以得到提升,充电时间缩短62%。而且,“这款产品最快也会在2022年初就会上市。”

蜂巢的快充,为了满足10分钟的快充目标,蜂巢能源在电池体系上进行了大量技术优化,例如前驱体定向生长精准控制技术、多梯度立体掺杂技术、柔性包覆技术等多种技术,并结合电解液的改进和仿真等技术制定出最优的快充策略。

蜂巢还将继续加大快充电池的研发,计划未来提升电池能量密度至250Wh/kg,电池容量大于160Ah。

7

智能化电池管理系统

要实现电池的更方面均衡,还要有一个智能的电池管理系统。

在这方面,宁德时代和蜂巢能源都有一些成果对外展示。

宁德时代打造的数字化电池(iD-PACK),包含智能算法、电池包模型分析、域控制器、残值评估、数据存储、车云结合,将动力电池的全生命周期纳入管理。

宁德时代iD-PACK

蜂巢能源则是建立了蜂云平台,来做电池安全监控。

目前,这一平台由蜂巢能源联合清华大学开发,提前2个月的预警内短路,保障电池系统安全,并对电池进行云端析锂分析、云端缺陷电池分析和残值评估。

杨红新介绍,这一平台目前监控了9万辆电动汽车,分析数据超过16亿条,具备20多项监控项目。

整体来看,三家电池企业的技术进展大致相同,只是在某些技术领域各有侧重。相同的是,三家企业对磷酸铁锂的前景非常看好、对固态电池都表示了乐观但谨慎的态度;但是对电池是否要做到无钴存在一定分歧,在长寿命、快充、低温等瓶颈技术上,都在各自擅长的领域内攻坚克难。

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