3年前，寧德時(shí)代憑借“無模組電池包CTP”問鼎，電池體積利用率首次超過了50%。次年，比亞迪和特斯拉分別推出“刀片電池”、“4680電池”，將體積利用率提升到60%以上，扳回一局。而今6月，寧德時(shí)代發(fā)布第3代CTP電池“麒麟”，以高出4680電池13%的能量密度又欲問鼎？前日，廣汽集團(tuán)推出“超能鐵鋰電池技術(shù)”，4000次循環(huán)下電池容量保持率在80%以上，數(shù)據(jù)趕超比亞迪“刀片”，不遜于“麒麟”。
電池技術(shù)的競爭是一場“從內(nèi)到外”的戰(zhàn)爭。電池材料短期內(nèi)難以取得根本突破。汽車企業(yè)和電池廠專注于電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈，難以取勝。目前，相對可以肯定的是，固態(tài)電池有望成為下一個(gè)技術(shù)高點(diǎn)，而軟包裝作為最匹配的包裝技術(shù)，是電池技術(shù)的未來。
電池結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新&競爭性汽車企業(yè)展示魅力
提高性能和降低成本是電池的長期主張。隨著電池材料技術(shù)的迭代放緩和原材料價(jià)格的上漲，電池結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新已成為汽車企業(yè)的重要關(guān)注點(diǎn)之一。
在有限的機(jī)箱空間中，為了最大限度地提高電池的體積利用率，您可以使用更高電壓的平臺。在相同體積下，最大化能量密度與電動汽車的耐久性、快速充電速度和性能有關(guān)。
寧德時(shí)報(bào)最新發(fā)布的ctp3.0“麒麟電池”全面提升了電池組的性能，預(yù)計(jì)將于2023年批量生產(chǎn)。
完全取消了模塊形狀設(shè)計(jì)，通過冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將“麒麟電池”的體積利用率提高到72%。同時(shí)，采用三元鋰電池系統(tǒng)，電池組的能量密度可達(dá)到255wh/kg，并支持4C充電速率，使電動汽車輕松實(shí)現(xiàn)1000km續(xù)航。寧德時(shí)報(bào)首席科學(xué)家吳說：“在相同的化學(xué)體系和電池組尺寸下，麒麟電池組的功率比4680系統(tǒng)提高13%。”。
由寧德時(shí)代命名的特斯拉“4680電池”被認(rèn)為是兼顧性能和成本的革命性突破，使整車?yán)m(xù)航里程增加了16%，節(jié)省了86%的成本。
4680電池是一種NCM三元鋰圓柱電池，電池直徑為46mm，高度為80mm。在性能方面，其“無電極接線片”設(shè)計(jì)降低了電池的阻抗，改善了圓柱形電池的發(fā)熱問題。同時(shí)，干電池工藝提高了電池的能量密度，并將生產(chǎn)能耗降低了10倍。在成本方面，陽極由硅制成，這將使電池壽命提高20%；陰極生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，使電池陰極生產(chǎn)線的投資和建設(shè)成本降低了66%，生產(chǎn)成本降低了76%。
特斯拉圓柱形電池
高能量密度的三元鋰材料是大眾的選擇，而比亞迪的“葉片電池”使用磷酸鐵鋰材料，這條路走的人很少，但卻是一條開拓性的道路。
單個(gè)細(xì)胞排列成一個(gè)陣列。例如，“刀片”直接插入電池組，因此得名“刀片電池”。刀片式電池分組后，會跳過電池模塊，從而減少冗余部件。電池體積利用率提高到66%，能量密度提高到150wh/kg，不僅達(dá)到三元鋰電池的水平，而且具有磷酸鐵鋰材料的高安全性和低成本。
比亞迪“刀片電池”
廣汽集團(tuán)還擁有磷酸鐵鋰電池，其產(chǎn)品直接以比亞迪的“刀片電池”為基準(zhǔn)。
前天，廣汽集團(tuán)發(fā)布了“微晶超能鐵鋰電池”，將第二相正微晶引入磷酸鐵鋰電池，使電池的質(zhì)量能量密度提高了13%，體積能量密度提高了20%，電池的低溫性能和充電時(shí)間也提高了。同時(shí)，4000次循環(huán)后的超能量鐵鋰電池容量保持率可達(dá)80%以上，電池壽命可達(dá)150萬公里，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于葉片電池。
此外，上汽集團(tuán)還加快了電池結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新布局，而“魔方電池”的推出已經(jīng)承載了全新的純電動汽車mgmulan?！澳Х诫姵亍眲?chuàng)新地采用lbs臥電池和先進(jìn)的CTP技術(shù)，使電池“臥平”后的電池整體封裝厚度低至110mm，大大提高了整車的空間利用率，并支持電源切換，可以緩解電池里程的焦慮。
改變電池結(jié)構(gòu)，使電池產(chǎn)品的參數(shù)更加優(yōu)秀。然而，如果我們想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和使用，就必須回到最初的電池材料技術(shù)和成本上來。
電池材料短期內(nèi)難以取得根本突破
目前，鋰離子電池技術(shù)最為先進(jìn)，已廣泛應(yīng)用于電動汽車。
根據(jù)負(fù)極材料的不同，鋰離子電池可分為三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和鈷酸鋰電池。
考慮到安全性和耐久性，磷酸鐵鋰和三元鋰離子更適合用于電動汽車。兩人之間的爭端已成為家常便飯?？傊姿徼F鋰電池價(jià)格便宜、耐用、安全，而三元鋰電池具有更多的儲能能力和更強(qiáng)的耐久性。對于重視耐久性的新能源汽車企業(yè)來說，三元鋰電池是公眾的選擇。
三元鋰電池的“三元”是指鎳、鈷和錳。鎳負(fù)責(zé)電池容量，“鈷”負(fù)責(zé)電池壽命，“錳”負(fù)責(zé)電池穩(wěn)定性。三種元素的比例可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
“鎳”是提高電池耐久性的關(guān)鍵，稀有元素“鈷”的價(jià)格正在上漲，高達(dá)35萬元/噸。降低鈷含量是降低電池成本的關(guān)鍵。同時(shí)，國內(nèi)新能源汽車的補(bǔ)貼政策與能量密度有關(guān)，高能量密度的高鎳電池更“受歡迎”。
因此，“增鎳減鈷”成為三元鋰電池的突破方向，由此產(chǎn)生了一系列非晶態(tài)金屬三元材料。主流ncm523和ncm622的鎳比例分別為60%和80%，鈷比例分別為30%和20%，然后發(fā)展到ncm811。鎳比例已攀升至80%，能量密度可達(dá)190mah/kg，鈷比例僅為10%，已成為大多數(shù)汽車企業(yè)的最佳選擇。
然而，高鎳ncm811具有“穩(wěn)定性差”的潛在安全隱患，尚未大規(guī)模使用。根據(jù)相關(guān)研究，ncm532、ncm622和ncm811從層狀相到尖晶石相的相變溫度分別為235℃、185℃和135℃，熱穩(wěn)定性呈急劇下降趨勢。在循環(huán)充放電和高溫下，電池容量會加速下降，電池的使用壽命也會下降，并且會有熱失控自燃的風(fēng)險(xiǎn)。
今年4月以來，配裝ncm811電池的廣汽愛因斯和吉利帝豪電動車發(fā)生多起自燃事故，迫使廣汽新能源和吉利重新使用ncm523電池。除NCM三元材料系列外，“NCA鎳鈷鋁材料”由Al（過渡金屬）代替錳組成，可以在一定程度上提高材料的穩(wěn)定性，改善材料的循環(huán)性能。然而，作為一種高鎳材料，非晶合金也存在熱穩(wěn)定性差的安全問題。
特斯拉電動汽車事故頻發(fā)的主要原因之一是使用NCA電池。在高耐久性的背后，它還承擔(dān)著高鎳電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。
然而，高鎳電池技術(shù)也取得了一些進(jìn)展。長城汽車的“大禹電池”為高鎳ncm811帶來了“及時(shí)雨”。4層5-D底部安全矩陣實(shí)現(xiàn)了不同化學(xué)系統(tǒng)中電池和不同規(guī)格電池組的熱失控安全保護(hù)，有效確保動力電池在其正常生命周期內(nèi)不會著火或爆炸。這是提高高鎳電池安全性的有效解決方案。
總體而言，三元鋰電池綜合性能較好，但正極材料單體的能量密度接近極限。考慮到安全性，短期內(nèi)很難取得突破。固態(tài)電池的出現(xiàn)有望解決鋰離子電池形式的一些問題。
固態(tài)電池可能成為電池技術(shù)的熱點(diǎn)
眾所周知，電池通過正負(fù)極材料交換電解液中的離子來發(fā)電。在工作過程中，電解質(zhì)比陽極和陰極材料更容易受到溫度和外部壓力的影響。將電解液形式改為固態(tài)是一種提高電池性能和安全性的方案。
固態(tài)電池采用玻璃、陶瓷或其他材料形式的固體電解質(zhì)，使電池更緊湊、更小，能將能量密度提高到500wh/kg。
此外，固態(tài)電池還可以避免熱失控和電解液泄漏等安全隱患。無腐蝕性，使用壽命更長。固態(tài)電池的眾多優(yōu)勢吸引了寧德時(shí)代、贛峰鋰業(yè)、比亞迪、惠能、青島能源、威蘭能源等企業(yè)競相研發(fā)。
液體電池與固體電池
然而，固態(tài)電池很難薄化，使用的一些稀有金屬價(jià)格昂貴，工藝難度大，研發(fā)周期長。寧德時(shí)報(bào)與大眾、福特、寶馬等多家汽車公司一致認(rèn)為，所有固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化要到2025年甚至2030年才能啟動，液體電解質(zhì)鋰離子電池仍是主流。
然而，業(yè)界也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)折衷方案，即半固態(tài)電池。一種電池，其中半固態(tài)電池的一個(gè)電極不含液體電解質(zhì)，另一個(gè)電極含有液體電解質(zhì)，或者單體中固體電解質(zhì)的質(zhì)量或體積占單體中電解質(zhì)總質(zhì)量或體積的一半。
半固態(tài)電池可以兼顧液體電池和全固態(tài)電池的性能優(yōu)勢。最大限度地與現(xiàn)有工藝、設(shè)備和材料兼容，并具有快速著陸的可能性。
今年1月，東風(fēng)公司與贛峰鋰業(yè)聯(lián)合開發(fā)的第一批50輛東風(fēng)贛峰高比能固態(tài)（實(shí)際上是半固態(tài)）電池汽車在江西省新余市交付。3月，在中國電動汽車論壇上，威蘭新能源透露，它計(jì)劃推出一款基于velaiet7模型的單次充電1000公里的混合固液電解質(zhì)電池。
理論上，固態(tài)電池是比三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池更好的選擇。中國電動汽車協(xié)會副會長、中國科學(xué)院院士歐陽明高表示：所有固態(tài)電池都是汽車制造商的理想電池。它可以被視為機(jī)電產(chǎn)品，而不是化學(xué)產(chǎn)品。層壓、軟包裝和外力，焊接后不需要回收，非常方便。這是面向回收的設(shè)計(jì)。
固態(tài)電池技術(shù)仍在取得全面突破，但有一個(gè)方向相對確定，那就是封裝。
軟包裝是技術(shù)的未來
“在未來實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池后，由于充電和放電過程中的膨脹和收縮，電池可能需要一些外力來支撐。我們認(rèn)為鋁塑軟包裝電池可能對全固態(tài)電池更有優(yōu)勢?！蔽邓{(lán)新能源科技股份有限公司董事長兼總經(jīng)理于惠根在6月份的“云上宜賓”活動中提到。
鋰電池和固態(tài)電池的傳統(tǒng)包裝有三個(gè)過程：軟包裝、方形包裝和圓柱形包裝。不同的包裝方法有不同的制造工藝。圓柱形和定向電池主要使用纏繞工藝，而軟包裝電池使用層壓工藝。
在能量密度、安全性和制造工藝方面，軟包裝電池與圓柱形和方形電池相比具有顯著優(yōu)勢：制造工藝采用層壓設(shè)計(jì)，內(nèi)部變形、彎曲或斷裂的概率較低；外殼由非硬質(zhì)鋁塑薄膜制成。如果電池失控，鋁塑膜在破裂時(shí)會帶走大量熱量，以避免爆炸；鋁塑薄膜外殼重量輕。在相同容量下，整個(gè)電池重量減輕20%~40%，能量密度提高40%。
軟電池組
福能科技董事長兼首席執(zhí)行官王選特別喜歡軟包裝電池：“從這三個(gè)方面來看，理論上來說，軟包裝電池是最好的選擇。所有的外殼都是無效的，占有效體積和成本，應(yīng)該在最終開發(fā)時(shí)拆除。當(dāng)談到固態(tài)電池時(shí)，沒有包裝或軟包裝。”在汽車企業(yè)方面，大眾、梅賽德斯-奔馳、通用、現(xiàn)代、福特等也使用軟電池組配置了一些主流車型。
鋰電池的技術(shù)突破是一場長期戰(zhàn)，電池技術(shù)是一場桌面戰(zhàn)。如果你想支撐這張表，你應(yīng)該擁有一個(gè)穩(wěn)定的電池供應(yīng)鏈，以獲得電動汽車競爭的持續(xù)驅(qū)動力。
汽車企業(yè)共建、共建、參股電池廠，爭取動力電池的主動權(quán)
目前，汽車企業(yè)更依賴電池供應(yīng)商。以寧德時(shí)代為代表的電池企業(yè)已經(jīng)接管了國內(nèi)新能源汽車企業(yè)的大部分電池“業(yè)務(wù)”。然而，高昂的采購成本實(shí)際上是一種負(fù)擔(dān)。與其擴(kuò)大外包渠道，不如建廠實(shí)現(xiàn)內(nèi)部供應(yīng)。一些實(shí)力非凡的汽車企業(yè)正在自主布局電池產(chǎn)業(yè)鏈。
根據(jù)公開信息的結(jié)果，大約20%的汽車公司已經(jīng)建立了自己的電池工廠并采取主動。特斯拉在美國和德國建立了自己的工廠，并實(shí)現(xiàn)了4680塊電池的大規(guī)模生產(chǎn)；比亞迪建立了自己的福地電池廠，4月份比亞迪生產(chǎn)的“葉片電池”在磷酸鐵鋰電池市場份額上超過了“寧旺”；長城汽車可以通過孵化蜂窩能源生產(chǎn)、供應(yīng)和出口電池。
約40%的汽車企業(yè)采取“自建、共建”的方式，確保電池供應(yīng)渠道道路，成本穩(wěn)定。寶馬、東風(fēng)、吉利和廣汽依托寧德時(shí)代，豐田和松下緊密結(jié)合，福特和斯康緊密合作?！白越ㄐ判摹贝蠖嗍菄鴥?nèi)外實(shí)力雄厚的主流汽車企業(yè)，與他們共同打造的電池企業(yè)也很強(qiáng)大。
另有40%的汽車公司選擇與電池廠“共建”，以快速進(jìn)入電動汽車市場。沃爾沃、本田、長安、江淮與獨(dú)家電池廠合作；現(xiàn)代、上汽、一汽和北汽引入了更多的電池合作伙伴，以分散電力容量和成本壓力；理想和小鵬選擇參股黑馬電池企業(yè)新旺達(dá)，并與優(yōu)質(zhì)電池供應(yīng)商綁定。
在打電池技術(shù)之戰(zhàn)的同時(shí)，在電池產(chǎn)業(yè)鏈的競爭中馳騁，電池制造商和汽車公司之間的博弈從未停止過。沒有持久的贏家，很難說輸家注定要失敗。中國電動汽車江湖正在蓬勃發(fā)展。
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