寧德時(shí)代、國軒高科和蜂巢能源動力電池技術(shù)大比拼

時(shí)間:2021-07-06 09:37來源:電動汽車觀察家 作者:王凌方
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       目前動力電池技術(shù)的進(jìn)展如何?

       2021年6月30日,由長城汽車主辦的“引領(lǐng)低碳轉(zhuǎn)型 驅(qū)動綠能戰(zhàn)略——長城汽車第8屆科技節(jié)碳中和論壇”在保定電谷國際酒店舉行。會上,長城汽車邀請了寧德時(shí)代和國軒高科相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行分享,再加上長城控股體系下的蜂巢能源,剛好可以理一下主流代表企業(yè)在電池各項(xiàng)代表技術(shù)上的進(jìn)展情況。
 
       《電動汽車觀察家》從電池材料體系、固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)展、集成化路線、長壽命、低溫性能、快充情況、智能化等多角度探討動力電池技術(shù)的進(jìn)展。
 
1
材料體系演進(jìn)
 
       從去年以來,磷酸鐵鋰電池占比大幅回升,低鈷、無鈷電池和固態(tài)電池的消息也是此起彼伏,電池技術(shù)仍在小幅快速迭代。
 
       (1)磷酸鐵鋰仍有前景
 
       寧德時(shí)代新能源科技有限公司技術(shù)副總裁、工程總監(jiān)項(xiàng)延火表示,寧德時(shí)代規(guī)劃三代磷酸鐵鋰電池,支撐電動汽車的續(xù)駛里程400—600+公里。
 
       目前寧德時(shí)代的磷酸鐵鋰電芯能量密度在180-200Wh/kg區(qū)間內(nèi),體積能量密度可以做到350-450Wh/L,下一代磷酸鐵鋰電芯的能量密度在210-230Wh/kg,體積能量密度在450-500Wh/L之間 

 

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寧德時(shí)代化學(xué)體系路線圖 
 
       深耕磷酸鐵鋰的還有國軒高科。
 
       1月份,國軒高科在第十屆科技大會暨供應(yīng)商大會上發(fā)布,單體能量密度達(dá)到210Wh/Kg磷酸鐵鋰的軟包電芯,當(dāng)時(shí)的規(guī)劃是明年量產(chǎn)。
 
       國軒高科主要采用了自主研發(fā)高性能LFP正極材料、硅負(fù)極材料,以及預(yù)鋰化技術(shù)之后的成果。
 
       甚至,國軒高科宣稱其磷酸鐵鋰電芯已超過了常規(guī)NCM523電池的水平,接近NCM622的能量密度。但是它更加安全,市場應(yīng)用前景更加可觀。
 
       雖然蜂巢能源是以三元電池技術(shù)亮相市場,但是如今其在磷酸鐵鋰電池領(lǐng)域的布局占比也很大。
 
       根據(jù)蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新的預(yù)測,明年蜂巢能源磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)量占比大概在40%左右,與三元占比基本差不多。
 
       在長城科技節(jié)的展廳里,從蜂巢能源的電芯技術(shù)路線圖看,2020年底,他們已經(jīng)做到磷酸鐵鋰正極+石墨負(fù)極170Wh/Kg的能量密度,2022年做到200Wh/Kg,2023年負(fù)極通過添加硅可以做到230Wh/Kg。
 

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蜂巢電芯技術(shù)路線圖 

 
       可見,主流電池企業(yè)都有深耕磷酸鐵鋰電池的規(guī)劃。
 
       (2)三元低鈷、無鈷化發(fā)展
 
       與磷酸鐵鋰電池不同,三元電池的主要瓶頸是價(jià)格,降低價(jià)格起伏最大的鈷是企業(yè)的共同愿望。
 
       寧德時(shí)代也有無鈷電池的規(guī)劃,不過從寧德時(shí)代會上的ppt上看,其無鈷的亮相會在2024年左右,能量密度要做到250Wh/kg以上。
 
       合肥國軒高科動力能源有限公司高級副總裁徐興無則認(rèn)為鈷還是必要的,“鎳是提高容量的,鈷是穩(wěn)定結(jié)構(gòu),提升導(dǎo)電性能,用錳來取代鈷的話電導(dǎo)率比較低,綜合能量密度不高,循環(huán)也不太好他們希望找到一個(gè)平衡點(diǎn),降鈷但不是降到零。”
 
       徐興無將這種低鈷材料電池稱為多元低鈷的三元材料,降鈷提錳,目標(biāo)是將鈷降到1%的水平,基本上維持現(xiàn)有的性能沒有太大變化,或者說不能太差。
 
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國軒高科低鈷三元
 
       在無鈷電池方面,進(jìn)展最快的當(dāng)屬蜂巢電池。他們無鈷電池搭載的車型8月份成都車展就會發(fā)布。這也是全球第一款搭載無鈷電池的整車。
 
       此外,蜂巢正在為長城開發(fā)兩款無鈷電池,明年各家車企加在一起會有4-5款車型使用無鈷電池。

 

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蜂巢無鈷“短刀片”電池
2
固態(tài)電池應(yīng)用仍有距離
       從技術(shù)路線上看,再遠(yuǎn)一點(diǎn)最可能落地的是固態(tài)電池。
 
       不過,寧德時(shí)代方面希望推出的是全固態(tài)電池,所以他們認(rèn)為全固態(tài)電池真正量產(chǎn)是時(shí)間點(diǎn)在2028年或者2030年。
 
       項(xiàng)延火表示,在此期間,他們也在研究其他技術(shù),例如無稀有金屬電池和鋰空電池技術(shù)等。
 
       國軒高科在固態(tài)電池方面也有布局,不過徐興無也坦言,難度很大。
 
       “完全靠固態(tài)電池,導(dǎo)電率還沒有達(dá)到液態(tài)的水平,界面很難解決,所以采取折中的辦法。”
                                                                                                                                                                             
       折中的辦法就是固液混合的電解質(zhì),或者說是半固態(tài)電池,業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)的固態(tài)電池都處于這一階段。
 
       目前國軒高科半固態(tài)電池主要于以安全為主,性能方面能夠做到610Wh/L、300Wh/kg、循環(huán)1000次的程度,安全性可以滿足高端客戶的需求。 
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資料來源:國軒高科ppt

 
       2023年,國軒高科進(jìn)入高性能固態(tài)電池發(fā)展階段,目標(biāo)是2025年后做出能量密度方面超過800Wh/L、超過400Wh/kg、循環(huán)800次的全固態(tài)電池,采用富鋰材料、硫系或其他正極材料,負(fù)極方面采用鋰負(fù)極及界面修飾技術(shù)。 
 
       蜂巢能源也在研發(fā)全固態(tài)電池。“硫化物,氧化物兩個(gè)體系都在做,但說實(shí)話挑戰(zhàn)非常大。”楊紅新說。
 
      根據(jù)蜂巢無錫118創(chuàng)新中心展示的宣傳圖片,他們的計(jì)劃是2021年底產(chǎn)出第一代、復(fù)合電解質(zhì)固態(tài)電池,能量密度在250-300wh/kg,2030年底做出第四代、全固態(tài)電解質(zhì)的電池,能量密度在450-500wh/kg。
 

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蜂巢固態(tài)電池規(guī)劃 

 
       蜂巢雖然也有半固態(tài)電池產(chǎn)品的技術(shù)儲備,但是楊紅新表示,對于半固態(tài)電池的商業(yè)化前景還無法判斷。“現(xiàn)在我們找不到半固態(tài)電池的核心賣點(diǎn)在哪里。”
 
3
集成化路線:殊途同歸
 
       除了電池材料,電池集成技術(shù)也在不斷發(fā)展。 
 
       項(xiàng)延火介紹說,在2019年之后,寧德時(shí)代大部分產(chǎn)品都是采用CTP集成技術(shù),分別開發(fā)出了能量密度180-200Wh/kg的電池系統(tǒng)。從遠(yuǎn)期來看,寧德時(shí)代是希望將電芯和底盤集成在一起。“第一代CTC集成產(chǎn)品預(yù)計(jì)在2025年前后進(jìn)行量產(chǎn),更智能化CTC產(chǎn)品預(yù)計(jì)2028-2030年左右推出市場應(yīng)用。”
 
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寧德時(shí)代電池系統(tǒng)集成化路線圖

 
       蜂巢能源也采用CTP集成技術(shù),原理與寧德時(shí)代基本相似。蜂巢能源對外宣傳的數(shù)據(jù)是,與傳統(tǒng)590模組相比,蜂巢CTP第一代減少24%的零部件,第二代成組效率提升5-10%,空間利用率提升5%,零部件數(shù)量再減少22%。
 
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長城汽車PACK集成路線圖
 
       同樣根據(jù)長城科技節(jié)上的展覽,長城汽車公布的PACK集成技術(shù)路線圖看,他們在2021年左右就將實(shí)現(xiàn)采用蜂巢“刀片電池”的CTP技術(shù),到2023年中實(shí)現(xiàn)第一代CTC技術(shù),2026年實(shí)現(xiàn)PACK與整車深度集成,電池包能量密度可達(dá)300+Wh/Kg。這意味著同樣體積的乘用車,續(xù)航里程比現(xiàn)在大約翻一倍。
 
       國軒高科的集成技術(shù)與這三家有所差異。
 
       國軒高科的技術(shù)叫做JTM(Jelly Roll to Module,從卷芯到模組),是直接用卷芯放在模組里面,一次完成制作。
 
       徐興無表示,這種工藝非常簡單,成本低,制造過程簡單,易形成標(biāo)準(zhǔn)化。不管走大眾MEB平臺,還是適度柔性大模組概念,都能適用。“就像變形金剛,基本上95%都能夠通過我們這種方式做到刀片電池的水平,他們的能量密度我們也能達(dá)到,殊途同歸。”
 
       JTM的最大不同,就是從卷芯直接到模組的一體化制造技術(shù)。JTM產(chǎn)品采用了特殊材料和工藝制作的塑殼,以及更加高效集成的成組技術(shù),使它以簡單設(shè)計(jì)的合成理念,真正實(shí)現(xiàn)了從原材料,直接制備模組或電池包的最終目的。
 

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國軒高科JTM電池 
 

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長壽命電池
 
       鋰離子電池在使用過程中面臨的一大問題就是衰減嚴(yán)重。
 
       寧德時(shí)代在技術(shù)研發(fā)方面,也在致力于推出超長壽命電池。
 
       2020年6月,寧德時(shí)代對外表示,其研發(fā)出了電池采用自修復(fù)長壽命技術(shù),可實(shí)現(xiàn)16年超長壽命或200萬公里行駛里程,成本較現(xiàn)有電池增加不到10%。
 
       這種電池在循環(huán)1500次之后,仍然是“零”衰減。
 
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寧德時(shí)代長壽命電池 

 
       項(xiàng)延火表示,寧德時(shí)代打造超長壽命技術(shù),為的是解決續(xù)航里程痛點(diǎn),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品保值和增值。
 
       徐興無也表示,國軒高科目前也在研發(fā)循環(huán)壽命在1萬次以上的長壽命電池。他也認(rèn)為,這為電池的梯次利用留下了巨大空間。
 
       蜂巢能源在長壽命電池方面沒有較多的宣傳,不過其去年發(fā)布的款無鈷電芯,其中E平臺的電池主要應(yīng)用在中等里程車型中,電芯循環(huán)壽命可達(dá)到4000次以上。蜂巢的無鈷電池可支持電動汽車行駛800公里以上,使用壽命超過15年120萬公里。
 
5
低溫性能
 
       對于動力電池的另一個(gè)弱點(diǎn),低溫性能差,也是這些企業(yè)著力攻克的技術(shù)之一。
 
       項(xiàng)延火介紹說,他們通過電芯性能的提升,可以使電池在功率、能量保持率上都有所提升,可以提升5%-8%的敘事里程。
 
       此外,寧德時(shí)代還會在系統(tǒng)層面疊加自加熱技術(shù),實(shí)現(xiàn)2~5度每分鐘的速熱,這樣的話能夠在-30度的環(huán)境下,只消耗四五個(gè)點(diǎn)的電量,達(dá)到與常溫接近的電池系統(tǒng)的能量。
 
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寧德時(shí)代電池加熱技術(shù)

 
       國軒高科低溫性能的改進(jìn),主要集中在前沿電解液的開發(fā)上。在國軒高科第十屆科技大會上,其工程研究總院院長蔡毅就透露了,國軒高科在新電解液配方上的進(jìn)展,“國軒新電解液配方能夠提升鐵鋰電池低溫性能超過20%;三元電解液新配方能夠幫助高溫直流內(nèi)阻下降10%;前沿凝膠電解質(zhì)已經(jīng)通過客戶安全針刺實(shí)驗(yàn)。”
 
       不過蔡毅表示,電解液項(xiàng)目成果需要兩年后才能看到。
 
       蜂巢沒有集中介紹過低溫性能,但是楊紅新透露,之所以推出磷酸鐵鋰,也是因?yàn)樗牡蜏匦阅鼙却饲耙呀?jīng)大為改善。另外,蜂巢也在研發(fā)一項(xiàng)電池加熱技術(shù),將有效改善低溫性能。
 
6
快充:10分鐘400公里
 
       消費(fèi)者對電動汽車的訴求,是能做到與燃油車類似的體驗(yàn),因此在充電速度上,希望能夠快一點(diǎn),再快一點(diǎn)。
 
       寧德時(shí)代目前在快充產(chǎn)品上,已經(jīng)開發(fā)了2C-5C系列的產(chǎn)品,2C的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)20分鐘、4C的產(chǎn)品就能夠?qū)崿F(xiàn)10分鐘,5C的產(chǎn)品可能就5~8分鐘,就能夠跑要400公里的訴求。
 
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寧德時(shí)代超快充技術(shù)

  
       蜂巢能源正在開發(fā)快充型產(chǎn)品,壽命提升33%,能量密度也可以得到提升,充電時(shí)間縮短62%。而且,“這款產(chǎn)品最快也會在2022年初就會上市。”
 
       蜂巢的快充,為了滿足10分鐘的快充目標(biāo),蜂巢能源在電池體系上進(jìn)行了大量技術(shù)優(yōu)化,例如前驅(qū)體定向生長精準(zhǔn)控制技術(shù)、多梯度立體摻雜技術(shù)、柔性包覆技術(shù)等多種技術(shù),并結(jié)合電解液的改進(jìn)和仿真等技術(shù)制定出最優(yōu)的快充策略。
 
       蜂巢還將繼續(xù)加大快充電池的研發(fā),計(jì)劃未來提升電池能量密度至250Wh/kg,電池容量大于160Ah。 
 
7
智能化電池管理系統(tǒng)
 
       要實(shí)現(xiàn)電池的更方面均衡,還要有一個(gè)智能的電池管理系統(tǒng)。
 
       在這方面,寧德時(shí)代和蜂巢能源都有一些成果對外展示。
 
       寧德時(shí)代打造的數(shù)字化電池(iD-PACK),包含智能算法、電池包模型分析、域控制器、殘值評估、數(shù)據(jù)存儲、車云結(jié)合,將動力電池的全生命周期納入管理。
 

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寧德時(shí)代iD-PACK

 
       蜂巢能源則是建立了蜂云平臺,來做電池安全監(jiān)控。
 
       目前,這一平臺由蜂巢能源聯(lián)合清華大學(xué)開發(fā),提前2個(gè)月的預(yù)警內(nèi)短路,保障電池系統(tǒng)安全,并對電池進(jìn)行云端析鋰分析、云端缺陷電池分析和殘值評估。
 
       楊紅新介紹,這一平臺目前監(jiān)控了9萬輛電動汽車,分析數(shù)據(jù)超過16億條,具備20多項(xiàng)監(jiān)控項(xiàng)目。
 
       整體來看,三家電池企業(yè)的技術(shù)進(jìn)展大致相同,只是在某些技術(shù)領(lǐng)域各有側(cè)重。相同的是,三家企業(yè)對磷酸鐵鋰的前景非?春、對固態(tài)電池都表示了樂觀但謹(jǐn)慎的態(tài)度;但是對電池是否要做到無鈷存在一定分歧,在長壽命、快充、低溫等瓶頸技術(shù)上,都在各自擅長的領(lǐng)域內(nèi)攻堅(jiān)克難。

(責(zé)任編輯:子蕊)
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