最近,广汽集团发布的新型铁锂电池技术引来行业的广泛关注,该技术被命名为突破型复合电池技术——基于微晶技术的新一代超能铁锂电池技术。该技术在提升电池能量密度的同时,还延长了电池续航寿命、低温性能和快充性能,优于普通的磷酸铁锂电池。

电池结构创新比拼 到底哪家技术更强?

  就在上周,宁德时代推出的麒麟电池揭开神秘面纱,这款电池最大的核心亮点是可实现整车1000公里的超长续航。这也就意味着,搭载这款电池的纯电动汽车续航可以媲美燃油车,用户几乎可以实现完全没有里程焦虑了。

  其实,除了广汽、宁德时代外,整车企业如特斯拉、比亚迪、上汽、长城等都拥有自己的动力电池研发技术,在电池新材料尚未突破之际,各家主要是以优化电池结构来提高动力电池的高性能和安全性。那么,这些百花齐放的电池技术究竟怎么样,它们各自的优势又有哪些?

  宁德时代·麒麟电池

  亮点:能量密度提高,续航可达1000公里

  2019年,宁德时代在全球首创无模组电池包,也就是第一代CTP技术,该技术让电池包体积利用率突破50%。如今CTP技术发展到第三代,也就是前不久发布的麒麟电池,体积利用率达到72%,最直接的效果就是将三元锂电池的能量密度提升至255Wh/kg,磷酸铁锂电池系统能量密度提升至160Wh/kg。

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  其实,宁德时代的麒麟电池也没有对电芯材料做改变,而是进一步改进了电池组集成工艺,本质上是CTP 3.0技术的应用之作。

  传统的电池采用电芯-模组-电池包的装配模式,而CTP则跳过了模组步骤,直接将电芯集成为电池包,因此也被称为无模组电池包。由于取消了包裹在电芯外的模组,电池包有了更多空间排列电芯,系统能量密度得以增加,从而提升车辆的续航里程。

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  同时,麒麟电池CTP 3.0技术保留了电池上盖板和托盘,将横纵梁、水冷板与隔热垫合三为一,集成为多功能弹性夹层,最终达到降低成本、有效阻隔热失控的效果。

  通过全球首创的电芯大面冷却技术,还能实现5分钟的快速热启动及10分钟快充功能,改进后的电池成组技术,不仅适配磷酸铁锂电池,还适配于三元锂电池。

  也就是说,除了能量密度更高以外,麒麟电池还实现了续航、快充、安全、寿命、效率、以及低温性能的全面提升。

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  从宁德时代公布的视频里,一组数据也直接反映了麒麟电池和特斯拉4680电池性能的差别。宁德时代首席科学家吴凯表示:“在相同的化学体系、同等电池包尺寸下,麒麟电池包的电量,相比4680系统可以提升13%”。

  据了解,宁德时代的麒麟电池将于2023年量产装车,采用该电池的电动汽车续航里程将轻松突破1000公里。截至目前,包括理想汽车、路特斯汽车、哪吒汽车等多家车企相继以各种方式透露将采用麒麟电池。

  日前,宁德时代董事长曾毓群在重庆车展上透露,在技术路线上,宁德时代在做全固态电池、半固态电池,还有凝聚态电池。他表示,动力电池化学体系的创新、结构的创新、制造的创新,再加上商业模式的创新,整合在一起,才能推动新能源汽车行业的发展。

  麒麟电池的诞生,有望为宁德时代带来更多的机遇。从市场来看,麒麟电池给行业带来很大的改变,有望促进新能源汽车对传统燃油车的加速替代。

  特斯拉·4680电池

  亮点:性能和成本兼顾

  特斯拉的4680电池呈圆柱形,单体电芯直径为46mm、高度为80mm,所以直接命名为4680电池。该电池材料上采用三元正极,电池组结构采用的是CTC方案,直接将圆柱电芯排列,形成电池舱。

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  与过去的1865和现在的2170电池相比,似乎4680电池体积变大了,但不只是这么简单,4680电芯在结构上也有很多创新和改进。

  因为电芯体积增大,电池的阻抗也同步增大,于是特斯拉采用了无极耳技术,选择了在集流体末端留白未涂覆正/负极材料,这种设计大幅降低了电池的阻抗,解决了圆柱电池的发热问题,且安全性和快充性能都有所提升。

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  另外,特斯拉的4680电池使用干电池电极工艺,不使用溶剂,而是将少量(约5%-8%)细粉状PTFE粘合剂与正/负极粉末混合,通过挤压机形成薄的电极材料带,再将电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。这项工艺将会提高电池的能量密度,并且使生产能耗降低10倍。

  除了以上几个特点外,特斯拉的4680电池还在阳极材料、阴极生产过程方面进行优化,将电池的续航能力增加20%,成本还会降低。

  经过改进,特斯拉将增加54%的电池续航,降低56%的每千瓦时成本,减少69%的投资生产成本,能量密度提升之余,生产成本大大降低。也就是说,特斯拉的4680电池可以做到性能和低成本兼得。

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  最近,海外版特斯拉Model Y(配置|询价)搭载了4680型电池,电池容量仅50KWh,续航里程只有450公里,价格更低,适合大部分用户。而那些对性能有要求的,可以选择Model Y性能版或长续航版。

  其实,特斯拉的4680电池也有短板,在空间占用尚不具备优势,并且大批生产并不容易,主要难点在于极耳激光焊接的难度极高带来的低良品率,另外就是产能有限,不然特斯拉也不会大量采购宁德时代的方形电池了。

  比亚迪·刀片电池

  亮点:能量密度升级,安全性提高

  比亚迪的刀片电池可谓是响当当的存在,该电池本质上是磷酸铁锂电池,比亚迪通过对电芯外形、布局排列重新进行设计,还有生产工艺上的改进,让电池看起来更薄,有刀片的既视感,而电池容量却得到大幅提升。

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  比亚迪的刀片电池通过国内最严苛的“针刺测试”和“重卡碾压测试”,官方更是喊出刀片电池永不起火自燃的口号,安全性绝对属于国内一流的水准。

  从结构上来看,比亚迪的刀片电池通过阵列方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池包里面,电芯由立放变为侧放,在成组时跳过模组,减少冗余零部件,形成类似蜂窝铝板结构,最终达到同样空间装入更多电芯的设计目标,并且电芯之间互不干扰,安全性也得到增强。

  刀片电池使用的是磷酸铁锂电池,能量密度大约为140Wh/kg,考虑到电池管理系统及其他组件,在空间利用率方面高达60%,远高于传统电池空间利用率,这样不仅提升了能量密度,还延续了磷酸铁锂电池的安全优势。

  在最新量产的海豹上,比亚迪通过CTC技术将电池与车身融合,进一步加强电池的安全性,打造出“撞不断的电动汽车”。

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  从业界口碑和汽车销量来看,比亚迪刀片电池有着亮眼表现,就连苹果都主动寻求与比亚迪的合作,目前已经有不少车企成为比亚迪刀片电池的客户,包括一汽红旗、长安汽车、丰田、福特、戴姆勒等。

  在安全性和使用寿命方面,比亚迪刀片电池确实有着突出优势,而续航和快充,可能是其目前的最大短板了。目前纯电车续航突破1000km已经成为车企宣传的最大卖点,而刀片电池在能量密度方面较低,所以比亚迪急需带来性能更强的刀片电池2.0版本。

  广汽·微晶超能铁锂电池

  亮点:提升性能,延长电池寿命

  广汽集团在科技日发布了一款微晶超能铁锂电池,通过在磷酸铁锂电池中引入第二相正极微晶,以及三项创新技术,改善了磷酸铁锂电池的能量密度、低温、快充、循环等性能。

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  在电池技术原理方面,广汽微晶超能铁锂电池在传统磷酸铁锂电池的基础上,引入了更高容量的第二相正极微晶活性材料,在提升能量密度的同时,通过离子多通路分流技术、阴极电势能缓冲技术、OCV三维空间响应面重构技术全面提升了磷酸铁锂电池的性能。

  通过这些调整,这款电池相比市面上的量产磷酸铁锂电池,单体质量能量密度由185Wh/kg提升到了210Wh/kg,电芯质量能量密度提升13.5%;微晶超能铁锂电池的体积能量密度由400Wh/L提升到了480Wh/L,体积能量密度提升20%。

  同时,这一电池还改善了磷酸铁锂电池低温性能比较差的问题,将零下20度的容量保持率提升了10%,充电时间也有了25%的提升。

  此外,微晶超能铁锂电池的续航寿命也更优秀,在循环4000次之后容量保持率还可以维持在80%以上,电池寿命可以达到150万公里。这一数据甚至超过了比亚迪刀片电池可充放电3000次以上,电池寿命为120万公里的成绩。

  可以说,广汽的微晶超能铁锂电池将磷酸铁锂电池的各项性能都提升了一大截,甚至要超越比亚迪的刀片电池。据了解,该电池技术将率先搭载到埃安旗下最新车型上,预计最早明年上车。

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  其实,近几年广汽在电池研发方面一直都比较超前,去年年底推出的“海绵硅负极片电池技术”,核心原理让电池内部的硅负极片变得像海绵一样柔软有弹性,使硅在充放电过程中的膨胀收缩被限制和缓冲,不会碎裂,充分发挥大容量的优势,储存更多的能量。

  而搭载“海绵硅负极片电池技术”的广汽埃安AION LX Plus作为首款续航超1000km的纯电车型,也已经在年初上市。

  还有弹匣电池也将电池的安全等级提升了一个新的高度,以及广汽还具备3DG石墨烯制备技术,以及将石墨烯材料应用到快充锂离子电池、超级电容、锂硫电池和轻量化车身材料等领域的能力。

  不论是基于微晶技术的新一代超能铁锂电池,还是石墨烯技术,都是广汽在电池技术方面的进步,不过具体表现如何还要等该技术搭载在量产车上才能验证。

  上汽·魔方电池

  亮点:电芯“超薄纯平”,支持换电

  上汽的魔方电池,采用了LBS躺式电芯和先进CTP技术,电池整包厚度低至110mm,这样就可以极大地增加整车的空间利用率,提升车厢内的空间并增加乘坐的舒适性,在电池结构上有了一定创新。

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  在能量密度方面,“魔方”电池的能量密度高达180Wh/kg,效能大幅度提升。能量密度越高,意味着相同的电量电池重量更轻,而减重素来是提升电动车续航里程的捷径,能够有效降低电动车的百公里电耗,进一步增加电动车的环保性。

  单纯从数据上来看,比亚迪刀片电池的能量密度140Wh/kg,广汽埃安的弹匣电池的能量密度在160Wh/kg。所以在能量密度方面,上汽的“魔方”电池还是有一定优势的。

  从结构上来看,目前市面上几乎所有电池组件,内部采用立式电芯布局,但是缺点是空间局限性较高,采用躺式电芯让电池包空间利用率大幅提高。也就是说,将原来竖放的电芯,现在平躺放置,不但厚度更小,且重量更低,占用的空间及接触面很小,带来空间效率的提升以及零热失控的安全性。

  “魔方”电池提供三种不同的电池模组厚度,110mm、137mm、125mm。在不改变长宽度的前提下,电池厚度越大,可容纳的电芯数量越多,续航就会越长。未来“魔方”电池可以推出135kWh乃至150kWh的大容量电池,实现1000公里续航里程并不是一件可望而不可及的事情。

  另外,上汽魔方电池的突出特点是超长的使用寿命,据介绍,最长的为64kWh的电池包,寿命可以达到12年,100万公里。

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  此外,上汽魔方电池采用标准化的ONE PACK电池架构,使汽车能兼容50度电到100度电以上的电池。通过ONE PACK平台化设计统一尺寸,单独的专利换电结构,MG MULAN已经可实现在同一装置上所有电池包的快换。

  在产品落地方面,上汽乘用车推出的MG MULAN将搭载上汽魔方电池,提供51kWh、64kWh和77kWh的电池版本,电化学体系则包括磷酸铁锂和三元锂两种,电池包厚度均为110mm。而且既支持充电,又支持换电。

  长城·大禹电池

  亮点:提升811高镍电池安全性

  长城的大禹电池的设计理念就是“变堵为疏”,采用三元811大容量高镍电芯,通过热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷却技术实现电芯内部热量被迅速导流,在电池包内任意位置、单个或多个电芯触发热失控的情况下均能实现不起火、不爆炸。

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  从技术层面来看,大禹电池从电芯、模组、电池系统、整车四层进行匹配,从电芯测试、系统数据、安全设计、虚拟仿真、测试验证五个维度设计理念,实现电池热失控安全防护。

  大禹电池技术一个最根本的优势是解决了未来主流NCM811高镍电芯的安全性问题。另外还能解决不同化学体系电芯问题,其中就包括能量密度突破190Wh/kg的NCM811三元锂电池,也包括未来随着镍含量提高电池能量密度更高的三元锂电池,还包括三元锂电池体系的NCA(镍钴铝)电芯及无钴电芯等,当然也能覆盖磷酸铁锂电池。

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  同时,大禹电池技术还可百搭不同PACK的应用技术,满足未来CTC(Cell to Chassis)电池PACK与融合方式,进一步提升整体刚性。

  据悉,大禹电池技术首搭车型为沙龙品牌第一款车型,我们也期待该技术尽快落地,为电动汽车提供更安全的驾驶环境。

  总结

  电动汽车生存之战,从动力电池争锋开始。电池技术竞赛是一场攻坚战,提升性能和降低成本是电池的永久命题,在电池材料短期内难有根本性突破时期,电池结构创新成为车企的重要抓手之一。在有限的底盘空间,最大限度提升电池体积利用率,体积利用率提升也能提升电动车的能量密度,关系着电动汽车续航能力、快充速度及性能表现。

  在电池结构创新竞技中,整车企业和电池厂难分胜负。但可以肯定的是,固态电池有望成为下一个技术高点,软包作为与之最匹配的封装技术,是电池工艺的未来,期待动力电池行业能有新的突破。

(责编:刘丽丽)