宁德时代凭借“无模组电池包CTP”问鼎,电池体积利用率首次超过了50%

宁德时代凭借“无模组电池包CTP”问鼎,电池体积利用率首次超过了50%

3年前,宁德时代凭借“无模组电池包CTP”问鼎,电池体积利用率首次超过了50%。次年,比亚迪和特斯拉分别推出“刀片电池”、“4680电池”,将体积利用率提升到60%以上,扳回一局。而今6月,宁德时代发布第3代CTP电池“麒麟”,以高出4680电池13%的能量密度又欲问鼎?前日,广汽集团推出“超能铁锂电池技术”,4000次循环下电池容量保持率在80%以上,数据赶超比亚迪“刀片”,不逊于“麒麟”。

电池技术的竞争是一场“从内到外”的战争。电池材料短期内难以取得根本突破。汽车企业和电池厂专注于电池技术和产业链,难以取胜。目前,相对可以肯定的是,固态电池有望成为下一个技术高点,而软包装作为最匹配的包装技术,是电池技术的未来。

电池结构的创新&竞争性汽车企业展示魅力

提高性能和降低成本是电池的长期主张。随着电池材料技术的迭代放缓和原材料价格的上涨,电池结构的创新已成为汽车企业的重要关注点之一。

在有限的机箱空间中,为了最大限度地提高电池的体积利用率,您可以使用更高电压的平台。在相同体积下,最大化能量密度与电动汽车的耐久性、快速充电速度和性能有关。

宁德时报最新发布的ctp3.0“麒麟电池”全面提升了电池组的性能,预计将于2023年批量生产。

完全取消了模块形状设计,通过冷却结构优化,将“麒麟电池”的体积利用率提高到72%。同时,采用三元锂电池系统,电池组的能量密度可达到255wh/kg,并支持4C充电速率,使电动汽车轻松实现1000km续航。宁德时报首席科学家吴说:“在相同的化学体系和电池组尺寸下,麒麟电池组的功率比4680系统提高13%。”。

由宁德时代命名的特斯拉“4680电池”被认为是兼顾性能和成本的革命性突破,使整车续航里程增加了16%,节省了86%的成本。

4680电池是一种NCM三元锂圆柱电池,电池直径为46mm,高度为80mm。在性能方面,其“无电极接线片”设计降低了电池的阻抗,改善了圆柱形电池的发热问题。同时,干电池工艺提高了电池的能量密度,并将生产能耗降低了10倍。在成本方面,阳极由硅制成,这将使电池寿命提高20%;阴极生产工艺的改进,使电池阴极生产线的投资和建设成本降低了66%,生产成本降低了76%。

特斯拉圆柱形电池

高能量密度的三元锂材料是大众的选择,而比亚迪的“叶片电池”使用磷酸铁锂材料,这条路走的人很少,但却是一条开拓性的道路。

单个细胞排列成一个阵列。例如,“刀片”直接插入电池组,因此得名“刀片电池”。刀片式电池分组后,会跳过电池模块,从而减少冗余部件。电池体积利用率提高到66%,能量密度提高到150wh/kg,不仅达到三元锂电池的水平,而且具有磷酸铁锂材料的高安全性和低成本。

比亚迪“刀片电池”

广汽集团还拥有磷酸铁锂电池,其产品直接以比亚迪的“刀片电池”为基准。

前天,广汽集团发布了“微晶超能铁锂电池”,将第二相正微晶引入磷酸铁锂电池,使电池的质量能量密度提高了13%,体积能量密度提高了20%,电池的低温性能和充电时间也提高了。同时,4000次循环后的超能量铁锂电池容量保持率可达80%以上,电池寿命可达150万公里,数据远高于叶片电池。

此外,上汽集团还加快了电池结构的创新布局,而“魔方电池”的推出已经承载了全新的纯电动汽车mgmulan。“魔方电池”创新地采用lbs卧电池和先进的CTP技术,使电池“卧平”后的电池整体封装厚度低至110mm,大大提高了整车的空间利用率,并支持电源切换,可以缓解电池里程的焦虑。

改变电池结构,使电池产品的参数更加优秀。然而,如果我们想实现大规模生产和使用,就必须回到最初的电池材料技术和成本上来。

电池材料短期内难以取得根本突破

目前,锂离子电池技术最为先进,已广泛应用于电动汽车。

根据负极材料的不同,锂离子电池可分为三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和钴酸锂电池。

考虑到安全性和耐久性,磷酸铁锂和三元锂离子更适合用于电动汽车。两人之间的争端已成为家常便饭。总之,磷酸铁锂电池价格便宜、耐用、安全,而三元锂电池具有更多的储能能力和更强的耐久性。对于重视耐久性的新能源汽车企业来说,三元锂电池是公众的选择。

三元锂电池的“三元”是指镍、钴和锰。镍负责电池容量,“钴”负责电池寿命,“锰”负责电池稳定性。三种元素的比例可以根据需要进行调整。

“镍”是提高电池耐久性的关键,稀有元素“钴”的价格正在上涨,高达35万元/吨。降低钴含量是降低电池成本的关键。同时,国内新能源汽车的补贴政策与能量密度有关,高能量密度的高镍电池更“受欢迎”。

因此,“增镍减钴”成为三元锂电池的突破方向,由此产生了一系列非晶态金属三元材料。主流ncm523和ncm622的镍比例分别为60%和80%,钴比例分别为30%和20%,然后发展到ncm811。镍比例已攀升至80%,能量密度可达190mah/kg,钴比例仅为10%,已成为大多数汽车企业的最佳选择。

然而,高镍ncm811具有“稳定性差”的潜在安全隐患,尚未大规模使用。根据相关研究,ncm532、ncm622和ncm811从层状相到尖晶石相的相变温度分别为235℃、185℃和135℃,热稳定性呈急剧下降趋势。在循环充放电和高温下,电池容量会加速下降,电池的使用寿命也会下降,并且会有热失控自燃的风险。

今年4月以来,配装ncm811电池的广汽爱因斯和吉利帝豪电动车发生多起自燃事故,迫使广汽新能源和吉利重新使用ncm523电池。除NCM三元材料系列外,“NCA镍钴铝材料”由Al(过渡金属)代替锰组成,可以在一定程度上提高材料的稳定性,改善材料的循环性能。然而,作为一种高镍材料,非晶合金也存在热稳定性差的安全问题。

特斯拉电动汽车事故频发的主要原因之一是使用NCA电池。在高耐久性的背后,它还承担着高镍电池热失控的风险。

然而,高镍电池技术也取得了一些进展。长城汽车的“大禹电池”为高镍ncm811带来了“及时雨”。4层5-D底部安全矩阵实现了不同化学系统中电池和不同规格电池组的热失控安全保护,有效确保动力电池在其正常生命周期内不会着火或爆炸。这是提高高镍电池安全性的有效解决方案。

总体而言,三元锂电池综合性能较好,但正极材料单体的能量密度接近极限。考虑到安全性,短期内很难取得突破。固态电池的出现有望解决锂离子电池形式的一些问题。

固态电池可能成为电池技术的热点

众所周知,电池通过正负极材料交换电解液中的离子来发电。在工作过程中,电解质比阳极和阴极材料更容易受到温度和外部压力的影响。将电解液形式改为固态是一种提高电池性能和安全性的方案。

固态电池采用玻璃、陶瓷或其他材料形式的固体电解质,使电池更紧凑、更小,能将能量密度提高到500wh/kg。

此外,固态电池还可以避免热失控和电解液泄漏等安全隐患。无腐蚀性,使用寿命更长。固态电池的众多优势吸引了宁德时代、赣峰锂业、比亚迪、惠能、青岛能源、威兰能源等企业竞相研发。

液体电池与固体电池

然而,固态电池很难薄化,使用的一些稀有金属价格昂贵,工艺难度大,研发周期长。宁德时报与大众、福特、宝马等多家汽车公司一致认为,所有固态电池的产业化要到2025年甚至2030年才能启动,液体电解质锂离子电池仍是主流。

然而,业界也发现了一个折衷方案,即半固态电池。一种电池,其中半固态电池的一个电极不含液体电解质,另一个电极含有液体电解质,或者单体中固体电解质的质量或体积占单体中电解质总质量或体积的一半。

半固态电池可以兼顾液体电池和全固态电池的性能优势。最大限度地与现有工艺、设备和材料兼容,并具有快速着陆的可能性。

今年1月,东风公司与赣峰锂业联合开发的第一批50辆东风赣峰高比能固态(实际上是半固态)电池汽车在江西省新余市交付。3月,在中国电动汽车论坛上,威兰新能源透露,它计划推出一款基于velaiet7模型的单次充电1000公里的混合固液电解质电池。

理论上,固态电池是比三元锂电池和磷酸铁锂电池更好的选择。中国电动汽车协会副会长、中国科学院院士欧阳明高表示:所有固态电池都是汽车制造商的理想电池。它可以被视为机电产品,而不是化学产品。层压、软包装和外力,焊接后不需要回收,非常方便。这是面向回收的设计。

固态电池技术仍在取得全面突破,但有一个方向相对确定,那就是封装。

软包装是技术的未来

“在未来实现全固态电池后,由于充电和放电过程中的膨胀和收缩,电池可能需要一些外力来支撑。我们认为铝塑软包装电池可能对全固态电池更有优势。”蔚蓝新能源科技股份有限公司董事长兼总经理于惠根在6月份的“云上宜宾”活动中提到。

锂电池和固态电池的传统包装有三个过程:软包装、方形包装和圆柱形包装。不同的包装方法有不同的制造工艺。圆柱形和定向电池主要使用缠绕工艺,而软包装电池使用层压工艺。

在能量密度、安全性和制造工艺方面,软包装电池与圆柱形和方形电池相比具有显著优势:制造工艺采用层压设计,内部变形、弯曲或断裂的概率较低;外壳由非硬质铝塑薄膜制成。如果电池失控,铝塑膜在破裂时会带走大量热量,以避免爆炸;铝塑薄膜外壳重量轻。在相同容量下,整个电池重量减轻20%~40%,能量密度提高40%。

软电池组

福能科技董事长兼首席执行官王选特别喜欢软包装电池:“从这三个方面来看,理论上来说,软包装电池是最好的选择。所有的外壳都是无效的,占有效体积和成本,应该在最终开发时拆除。当谈到固态电池时,没有包装或软包装。”在汽车企业方面,大众、梅赛德斯-奔驰、通用、现代、福特等也使用软电池组配置了一些主流车型。

锂电池的技术突破是一场长期战,电池技术是一场桌面战。如果你想支撑这张表,你应该拥有一个稳定的电池供应链,以获得电动汽车竞争的持续驱动力。

汽车企业共建、共建、参股电池厂,争取动力电池的主动权

目前,汽车企业更依赖电池供应商。以宁德时代为代表的电池企业已经接管了国内新能源汽车企业的大部分电池“业务”。然而,高昂的采购成本实际上是一种负担。与其扩大外包渠道,不如建厂实现内部供应。一些实力非凡的汽车企业正在自主布局电池产业链。

根据公开信息的结果,大约20%的汽车公司已经建立了自己的电池工厂并采取主动。特斯拉在美国和德国建立了自己的工厂,并实现了4680块电池的大规模生产;比亚迪建立了自己的福地电池厂,4月份比亚迪生产的“叶片电池”在磷酸铁锂电池市场份额上超过了“宁旺”;长城汽车可以通过孵化蜂窝能源生产、供应和出口电池。

约40%的汽车企业采取“自建、共建”的方式,确保电池供应渠道道路,成本稳定。宝马、东风、吉利和广汽依托宁德时代,丰田和松下紧密结合,福特和斯康紧密合作。“自建信心”大多是国内外实力雄厚的主流汽车企业,与他们共同打造的电池企业也很强大。

另有40%的汽车公司选择与电池厂“共建”,以快速进入电动汽车市场。沃尔沃、本田、长安、江淮与独家电池厂合作;现代、上汽、一汽和北汽引入了更多的电池合作伙伴,以分散电力容量和成本压力;理想和小鹏选择参股黑马电池企业新旺达,并与优质电池供应商绑定。

在打电池技术之战的同时,在电池产业链的竞争中驰骋,电池制造商和汽车公司之间的博弈从未停止过。没有持久的赢家,很难说输家注定要失败。中国电动汽车江湖正在蓬勃发展。

 

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