一顆不會(huì)熱失控的電芯就是一個(gè)電池包？這么“黑”的黑科技還不來(lái)看看
時(shí)間:2020-11-11 10:33來(lái)源:第一電動(dòng)網(wǎng) 作者:鄧婭
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電池包只有一顆電芯、續(xù)航可超過(guò)1000公里、絕對(duì)安全。
這三個(gè)關(guān)鍵詞條是否會(huì)讓你眼前一亮？這看似有些“黑科技”的描述，并不是在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，2021年，帶著這幾個(gè)關(guān)鍵詞的電池即將發(fā)表。
作為貼著這些關(guān)鍵詞條的企業(yè)——輝能科技近日與第一電動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行了一次深入交流，獨(dú)家向我們披露了輝能在固態(tài)電池研究過(guò)程中的最新技術(shù)。
如何做到絕對(duì)安全的電池
正所謂世事無(wú)絕對(duì)，企業(yè)在對(duì)外發(fā)言時(shí)往往不會(huì)把話說(shuō)得太滿，但在交流過(guò)程中，輝能就動(dòng)力電池安全方面幾次提到了“絕對(duì)”，而這也是此次輝能所披露的新技術(shù)重點(diǎn)。
今年北京車展期間，第一電網(wǎng)組織了一場(chǎng)主題為“我喜歡的電動(dòng)汽車”的用戶溝通會(huì)，到場(chǎng)的電動(dòng)車用戶對(duì)當(dāng)前各自的購(gòu)車決策優(yōu)先項(xiàng)做了投票。最終結(jié)果顯示，安全以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)超越續(xù)航，成為這些用戶購(gòu)車決策的第一優(yōu)先考慮。
而聚焦到電池安全上，如何保證自己的電動(dòng)車不會(huì)出現(xiàn)熱失控是消費(fèi)者最關(guān)心的問(wèn)題。隨著近日威馬因部分車型所搭載的電池存在熱失控隱患而不得不啟動(dòng)召回，輿論對(duì)這一話題的熱度也達(dá)到了頂峰。
電池?zé)崾Э厥侵鸽姵貎?nèi)部化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量熱量在電池內(nèi)部積累導(dǎo)致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸，整個(gè)過(guò)程大致分為上圖所示的五個(gè)階段。一旦觸發(fā)熱失控，很難在電池模組及電池包的設(shè)計(jì)與保護(hù)機(jī)構(gòu)層面上阻止，如何在熱失控的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中去阻止反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，成為了解決熱失控問(wèn)題的關(guān)鍵。
對(duì)了輝能來(lái)說(shuō)，ASM技術(shù)就是這個(gè)關(guān)鍵。
所謂的ASM，全稱是Active Safety Mechanism，翻譯成中文就是主動(dòng)安全機(jī)制。由于是核心專利機(jī)密，輝能方面并沒(méi)有透露ASM實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全的原理是什么。
“導(dǎo)入ASM后能主動(dòng)終止電池的熱失控反應(yīng)。你可以把它想象成在能量急速變化時(shí)，ASM就會(huì)自啟把電池‘殺死’，把電池變成石頭，讓電池停止反應(yīng)，從而將電池轉(zhuǎn)變成穩(wěn)態(tài)。”輝能相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴第一電動(dòng)網(wǎng)。
既然有“主動(dòng)”，自然就有“被動(dòng)”與之相結(jié)合，雙劍合璧才是達(dá)到“絕對(duì)安全”標(biāo)準(zhǔn)的保證。
根據(jù)輝能介紹，“被動(dòng)”安全指的是固態(tài)電池本身的特性，因?yàn)闊o(wú)隔膜或PP/PE，故沒(méi)有第二階段反應(yīng)，同時(shí)，氧化物電解質(zhì)延后了正極分解，大幅降低了產(chǎn)熱幅度。在加入了ASM主動(dòng)安全機(jī)制后，第3到第5階段的極層化學(xué)反應(yīng)將自我阻斷，“兩者結(jié)合，讓我們能保證模組甚至到電池包都不會(huì)有任何熱失控反應(yīng)發(fā)生。而采用了ASM的電芯，連假性熱失控都不會(huì)出現(xiàn)。”
這里的假性熱失控，是指輝能的電芯在進(jìn)行ARC測(cè)試（在近似絕熱的環(huán)境對(duì)被測(cè)樣品的放熱行為進(jìn)行測(cè)試分析，反應(yīng)接近于真實(shí)反應(yīng)過(guò)程，能獲得熱失控條件下表觀放熱反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)）過(guò)程中，出現(xiàn)的暫時(shí)溫度上升后便降溫的現(xiàn)象（上圖導(dǎo)入前部分），整個(gè)過(guò)程無(wú)熱失控風(fēng)險(xiǎn)。在導(dǎo)入ASM后，假性熱失控都不再發(fā)生（上圖導(dǎo)入后部分），“這樣各種高能材料在高度密集的封裝下也能無(wú)安全隱憂。”輝能相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹道。
新能源車如果更換為C=P電池包，續(xù)航將突破1000公里
ASM的導(dǎo)入，安全性能提升只是一方面。隨著安全得以保證，電池包可想象的空間也得以延伸，最直觀的便是電池包結(jié)構(gòu)上的變化。
輝能最新電池包結(jié)構(gòu)示意圖
從輝能最新的電池包結(jié)構(gòu)圖中可以看到，第一層和第四層是整個(gè)電池包的上下蓋，第三層是電池包的絕緣散熱材料，中間黃色部分便是電芯。
“我們把這項(xiàng)技術(shù)稱為C=P，Cell is Pack，1顆電芯就是1個(gè)電池包。”輝能介紹道。
帶模組結(jié)構(gòu)的MAB
此前出于安全性的考量，輝能的MAB（多軸向雙極電池電池包）依然保留了大模組（類似于CTP），“之前還做不到無(wú)模組，但在導(dǎo)入ASM后，就能去掉相應(yīng)的安全部件，從而讓封裝體積效率大于85%，這意味著電池包85%體積的部件都是帶電原件（根據(jù)輝能提供數(shù)據(jù)，T公司這一數(shù)值約為33%）。”
輝能方面透露，這款即將發(fā)表的電池，其電芯配方為NCM811正極+28%SiOx負(fù)極，依然是采用的混成固態(tài)，整顆電芯中只有重量不到4%的膠態(tài)電解質(zhì)。在使用MAB技術(shù)制成PACK后，體積能量密度達(dá)480Wh/L。“如果將搭載了圓柱狀電池的T公司電池包替換成這款C=P電池包，根據(jù)能量密度來(lái)?yè)Q算，續(xù)航里程將達(dá)到1159km。”
同時(shí)，隨著成組效率的提升，PACK的體積也進(jìn)一步縮小，這讓輝能的電池包能完全處于汽車的藍(lán)色安全區(qū)（下圖所示），從而在發(fā)生事故時(shí)減少電池包被撞的幾率，進(jìn)一步提升了其安全性。
另一方面，輝能的電芯因?yàn)椴捎昧穗p極電池技術(shù)，可以直接在電芯內(nèi)堆疊串聯(lián)，從而進(jìn)一步減小阻值，這帶來(lái)的最直接影響就是產(chǎn)熱變小，熱分布也變得更為均勻。
“ASM和多軸雙極技術(shù)的結(jié)合讓我們只用35%傳統(tǒng)電池包封裝的成本甚至更少便能完成整個(gè)C=P封裝過(guò)程。”輝能方面告訴第一電動(dòng)網(wǎng)，“同時(shí)，電池的制作過(guò)程也得以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。”
由于沒(méi)有電解液，所以省略了注液的步驟，同時(shí)，因?yàn)槭菑臉O片（Inlay）直接堆疊組裝成電池包（Pack），省略了模組環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)液態(tài)電池包相比，節(jié)省了45%的制程。另一方面，在生產(chǎn)設(shè)備上，輝能僅需單軸自動(dòng)化設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)高速的內(nèi)部堆疊串聯(lián)，從而資本投入也進(jìn)一步減少。
“制程的簡(jiǎn)化讓整體電池包成本相較傳統(tǒng)液態(tài)電池能減少20%，單位產(chǎn)能增加3倍；使用機(jī)械的復(fù)雜度降低以及工廠方面的設(shè)施精簡(jiǎn)則會(huì)讓投資減少23%。”
據(jù)悉，在產(chǎn)能達(dá)到20GWh后，輝能電池包的成本將下降至100美元/kwh甚至以下水平。
與時(shí)間賽跑
對(duì)于輝能科技來(lái)說(shuō)，面向未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的三張王牌——LCB（鋰陶瓷電池）+MAB+ASM已經(jīng)集齊。
固態(tài)電芯+多軸雙極電池高密度封裝技術(shù)+主動(dòng)安全機(jī)制，讓電池在絕對(duì)安全的前提下即實(shí)現(xiàn)了能量密度的提升又實(shí)現(xiàn)了成本的下探，一旦正式投入市場(chǎng)，相信會(huì)成為動(dòng)力電池市場(chǎng)中一股不可小覷的力量。
同時(shí)，輝能固態(tài)電池的參數(shù)仍有進(jìn)一步提升的空間。根據(jù)預(yù)測(cè)，在2023年其電芯SiOx負(fù)極中硅比例達(dá)到100%時(shí)，除了能大幅提升能量密度以外，成本的降幅將達(dá)到32%（在固定產(chǎn)能10GWh條件下）。
對(duì)于輝能來(lái)說(shuō)，目前最重要的課題就是與時(shí)間賽跑，盡快形成規(guī)模效應(yīng)，讓成本優(yōu)勢(shì)盡快體現(xiàn)。
據(jù)了解，搭載ASM技術(shù)的新電池將于2021年在桃園工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)能約為0.5~1GWh。“同時(shí)我們也要在內(nèi)地落地，把產(chǎn)線進(jìn)行復(fù)制，這塊難度不算太大。”
輝能預(yù)計(jì)，加上選址、工廠建設(shè)以及與產(chǎn)業(yè)鏈合作的時(shí)間，其產(chǎn)能將在2023~2024年間達(dá)到7~27GWh。但這期間依然面臨著不確定因素。
在此前一次與輝能科技的交流中，CEO楊思枏曾坦言寧德時(shí)代是輝能后續(xù)真正重要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。而就在不久前，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群在公開場(chǎng)合演講時(shí)透露，寧德時(shí)代新開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)可以做到不起火，只冒煙，該產(chǎn)品預(yù)計(jì)今年年底在部分高端車型上率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。與此同時(shí)，寧德時(shí)代還在研究一種新的電池集成技術(shù)，該技術(shù)的全稱為CTC（Cell to Chassis），是一種將電芯和底盤集成一起，再把電機(jī)、電控、整車高壓如DC/DC、OBC等通過(guò)創(chuàng)新架構(gòu)集成在一起技術(shù)。
這兩項(xiàng)新透露的技術(shù)，與輝能ASM和C=P技術(shù)有很多相似之處，交流過(guò)程輝能也坦言，目前還是很有壓力。
不過(guò)，對(duì)于自己的技術(shù)，輝能依然充滿信心。“正因?yàn)槲覀兟氏仍诠虘B(tài)電池領(lǐng)域做到了模組和PACK階段，才發(fā)現(xiàn)了這樣的安全問(wèn)題不得不去解決，因此花費(fèi)了很多心思才做出ASM這項(xiàng)技術(shù)。從生產(chǎn)成熟度來(lái)說(shuō)，我們領(lǐng)先豐田6年，領(lǐng)先QuantumScape7年”。
同時(shí)，輝能從材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備到回收都有研發(fā)，除了投入時(shí)間早，布局范圍也相對(duì)較廣，目前已經(jīng)形成了專利“護(hù)城河”。
據(jù)悉，輝能預(yù)計(jì)將于2022年迎來(lái)第一波的裝機(jī)潮，但具體合作車企輝能方面暫時(shí)沒(méi)有透露。廠址的選擇除了此前披露的杭州，近期也有許多地方在同步推進(jìn)。
（今年7月，輝能與杭州臨安區(qū)人民政府簽約）
此次交流，我們與輝能達(dá)成了一個(gè)共識(shí)：未來(lái)新能源市場(chǎng)能做多大，關(guān)鍵在于動(dòng)力電池技術(shù)能有多大突破。
根據(jù)高盛以及Global EV outlook 2019預(yù)計(jì)，保守估計(jì)到2025年全球動(dòng)力電池市場(chǎng)的需求量將達(dá)到960GWh，2030年數(shù)字將上升到1840GWh。
“但如果出現(xiàn)動(dòng)力電池技術(shù)的突破，整個(gè)市場(chǎng)又將在保守估計(jì)的基礎(chǔ)上再增長(zhǎng)187%。”輝能介紹道。
同時(shí)，輝能也認(rèn)為，2021年依然是“腥風(fēng)血雨”的一年，外資車企開始在新能源領(lǐng)域發(fā)力，眾多重磅車型也將輪番上市轟炸市場(chǎng)；自主品牌紛紛創(chuàng)立新品牌、求“獨(dú)立”，以求用更大的勢(shì)能鞏固和擴(kuò)大自己的“蛋糕”；新勢(shì)力們也經(jīng)過(guò)第一輪的淘汰賽，能量逐漸增大……
而作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件， 動(dòng)力電池企業(yè)間也是“暗潮涌動(dòng)”，行業(yè)的再次洗牌或許已經(jīng)臨近。
但這樣的“血腥”卻是市場(chǎng)、是消費(fèi)者（尤其是“等等黨”）喜聞樂(lè)見的，新能源行業(yè)發(fā)展的美好藍(lán)圖正在加速展開。
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