目前動力電池技術的進展如何？

       2021年6月30日，由長城汽車主辦的“引領低碳轉型 驅動綠能戰略——長城汽車第8屆科技節碳中和論壇”在保定電谷國際酒店舉行。會上，長城汽車邀請了寧德時代和國軒高科相關領導進行分享，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在電池各項代表技術上的進展情況。

 

       《電動汽車觀察家》從電池材料體系、固態電池技術進展、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的進展。

 

1

材料體系演進

 

       從去年以來，磷酸鐵鋰電池占比大幅回升，低鈷、無鈷電池和固態電池的消息也是此起彼伏，電池技術仍在小幅快速迭代。

 

       （1）磷酸鐵鋰仍有前景

 

       寧德時代新能源科技有限公司技術副總裁、工程總監項延火表示，寧德時代規劃三代磷酸鐵鋰電池，支撐電動汽車的續駛里程400—600+公里。

 

       目前寧德時代的磷酸鐵鋰電芯能量密度在180-200Wh/kg區間內，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。 

 

寧德時代化學體系路線圖 

 

       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商大會上發布，單體能量密度達到210Wh/Kg磷酸鐵鋰的軟包電芯，當時的規劃是明年量產。

 

       國軒高科主要采用了自主研發高性能LFP正極材料、硅負極材料，以及預鋰化技術之后的成果。

 

       甚至，國軒高科宣稱其磷酸鐵鋰電芯已超過了常規NCM523電池的水平，接近NCM622的能量密度。但是它更加安全，市場應用前景更加可觀。

 

       雖然蜂巢能源是以三元電池技術亮相市場，但是如今其在磷酸鐵鋰電池領域的布局占比也很大。

 

       根據蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新的預測，明年蜂巢能源磷酸鐵鋰電池的產量占比大概在40%左右，與三元占比基本差不多。

 

       在長城科技節的展廳里，從蜂巢能源的電芯技術路線圖看，2020年底，他們已經做到磷酸鐵鋰正極+石墨負極170Wh/Kg的能量密度，2022年做到200Wh/Kg，2023年負極通過添加硅可以做到230Wh/Kg。

 

蜂巢電芯技術路線圖 

 

       可見，主流電池企業都有深耕磷酸鐵鋰電池的規劃。

 

       （2）三元低鈷、無鈷化發展

 

       與磷酸鐵鋰電池不同，三元電池的主要瓶頸是價格，降低價格起伏最大的鈷是企業的共同愿望。

 

       寧德時代也有無鈷電池的規劃，不過從寧德時代會上的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為鈷還是必要的，“鎳是提高容量的，鈷是穩定結構，提升導電性能，用錳來取代鈷的話電導率比較低，綜合能量密度不高，循環也不太好他們希望找到一個平衡點，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，目標是將鈷降到1%的水平，基本上維持現有的性能沒有太大變化，或者說不能太差。

 

國軒高科低鈷三元

 

       在無鈷電池方面，進展最快的當屬蜂巢電池。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。

 

蜂巢無鈷“短刀片”電池

2

固態電池應用仍有距離

       從技術路線上看，再遠一點最可能落地的是固態電池。

 

       不過，寧德時代方面希望推出的是全固態電池，所以他們認為全固態電池真正量產是時間點在2028年或者2030年。

 

       項延火表示，在此期間，他們也在研究其他技術，例如無稀有金屬電池和鋰空電池技術等。

 

       國軒高科在固態電池方面也有布局，不過徐興無也坦言，難度很大。

 

       “完全靠固態電池，導電率還沒有達到液態的水平，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，或者說是半固態電池，業內大部分企業的固態電池都處于這一階段。

 

       目前國軒高科半固態電池主要于以安全為主，性能方面能夠做到610Wh/L、300Wh/kg、循環1000次的程度，安全性可以滿足高端客戶的需求。 

 

資料來源：國軒高科ppt

 

       2023年，國軒高科進入高性能固態電池發展階段，目標是2025年后做出能量密度方面超過800Wh/L、超過400Wh/kg、循環800次的全固態電池，采用富鋰材料、硫系或其他正極材料，負極方面采用鋰負極及界面修飾技術。 

 

       蜂巢能源也在研發全固態電池。“硫化物，氧化物兩個體系都在做，但說實話挑戰非常大。”楊紅新說。

 
      根據蜂巢無錫118創新中心展示的宣傳圖片，他們的計劃是2021年底產出第一代、復合電解質固態電池，能量密度在250-300wh/kg，2030年底做出第四代、全固態電解質的電池，能量密度在450-500wh/kg。

 

蜂巢固態電池規劃 

 

       蜂巢雖然也有半固態電池產品的技術儲備，但是楊紅新表示，對于半固態電池的商業化前景還無法判斷。“現在我們找不到半固態電池的核心賣點在哪里。”

 

3

集成化路線：殊途同歸

 

       除了電池材料，電池集成技術也在不斷發展。 

 

       項延火介紹說，在2019年之后，寧德時代大部分產品都是采用CTP集成技術，分別開發出了能量密度180-200Wh/kg的電池系統。從遠期來看，寧德時代是希望將電芯和底盤集成在一起。“第一代CTC集成產品預計在2025年前后進行量產，更智能化CTC產品預計2028-2030年左右推出市場應用。”

 

寧德時代電池系統集成化路線圖

 

       蜂巢能源也采用CTP集成技術，原理與寧德時代基本相似。蜂巢能源對外宣傳的數據是，與傳統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%，零部件數量再減少22%。

 

長城汽車PACK集成路線圖

 

       同樣根據長城科技節上的展覽，長城汽車公布的PACK集成技術路線圖看，他們在2021年左右就將實現采用蜂巢“刀片電池”的CTP技術，到2023年中實現第一代CTC技術，2026年實現PACK與整車深度集成，電池包能量密度可達300+Wh/Kg。這意味著同樣體積的乘用車，續航里程比現在大約翻一倍。

 

       國軒高科的集成技術與這三家有所差異。

 

       國軒高科的技術叫做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，易形成標準化。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。JTM產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，使它以簡單設計的合成理念，真正實現了從原材料，直接制備模組或電池包的最終目的。

 

國軒高科JTM電池 
 

4

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重。

 

       寧德時代在技術研發方面，也在致力于推出超長壽命電池。

 

       2020年6月，寧德時代對外表示，其研發出了電池采用自修復長壽命技術，可實現16年超長壽命或200萬公里行駛里程，成本較現有電池增加不到10%。

 

       這種電池在循環1500次之后，仍然是“零”衰減。

 

寧德時代長壽命電池 

 

       項延火表示，寧德時代打造超長壽命技術，為的是解決續航里程痛點，實現產品保值和增值。

 

       徐興無也表示，國軒高科目前也在研發循環壽命在1萬次以上的長壽命電池。他也認為，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，不過其去年發布的款無鈷電芯，其中E平臺的電池主要應用在中等里程車型中，電芯循環壽命可達到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弱點，低溫性能差，也是這些企業著力攻克的技術之一。

 

       項延火介紹說，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，寧德時代還會在系統層面疊加自加熱技術，實現2~5度每分鐘的速熱，這樣的話能夠在-30度的環境下，只消耗四五個點的電量，達到與常溫接近的電池系統的能量。

 

寧德時代電池加熱技術

 

       國軒高科低溫性能的改進，主要集中在前沿電解液的開發上。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阻下降10%；前沿凝膠電解質已經通過客戶安全針刺實驗。”

 

       不過蔡毅表示，電解液項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，也是因為它的低溫性能比此前已經大為改善。另外，蜂巢也在研發一項電池加熱技術，將有效改善低溫性能。

 

6

快充：10分鐘400公里

 

       消費者對電動汽車的訴求，是能做到與燃油車類似的體驗，因此在充電速度上，希望能夠快一點，再快一點。

 

       寧德時代目前在快充產品上，已經開發了2C-5C系列的產品，2C的產品實現能夠實現20分鐘、4C的產品就能夠實現10分鐘，5C的產品可能就5~8分鐘，就能夠跑要400公里的訴求。

 

寧德時代超快充技術

  

       蜂巢能源正在開發快充型產品，壽命提升33%，能量密度也可以得到提升，充電時間縮短62%。而且，“這款產品最快也會在2022年初就會上市。”

 

       蜂巢的快充，為了滿足10分鐘的快充目標，蜂巢能源在電池體系上進行了大量技術優化，例如前驅體定向生長精準控制技術、多梯度立體摻雜技術、柔性包覆技術等多種技術，并結合電解液的改進和仿真等技術制定出最優的快充策略。

 

       蜂巢還將繼續加大快充電池的研發，計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

 

       要實現電池的更方面均衡，還要有一個智能的電池管理系統。

 

       在這方面，寧德時代和蜂巢能源都有一些成果對外展示。

 

       寧德時代打造的數字化電池（iD-PACK），包含智能算法、電池包模型分析、域控制器、殘值評估、數據存儲、車云結合，將動力電池的全生命周期納入管理。

 

寧德時代iD-PACK

 

       蜂巢能源則是建立了蜂云平臺，來做電池安全監控。

 

       目前，這一平臺由蜂巢能源聯合清華大學開發，提前2個月的預警內短路，保障電池系統安全，并對電池進行云端析鋰分析、云端缺陷電池分析和殘值評估。

 

       楊紅新介紹，這一平臺目前監控了9萬輛電動汽車，分析數據超過16億條，具備20多項監控項目。

 

       整體來看，三家電池企業的技術進展大致相同，只是在某些技術領域各有側重。相同的是，三家企業對磷酸鐵鋰的前景非�？春�、對固態電池都表示了樂觀但謹慎的態度；但是對電池是否要做到無鈷存在一定分歧，在長壽命、快充、低溫等瓶頸技術上，都在各自擅長的領域內攻堅克難。