寧德時代、國軒高科和蜂巢能源動力電池技術(shù)大比拼

時間: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代和國軒高科相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)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(yè)在電池各項代表技術(shù)上的進展情況。
 
       《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(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
 
       寧德時代新能源科技有限公司技術(shù)副總裁、工程總監(jiān)項延火表示，寧德時代規(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，單體能量密度達到210Wh/Kg磷酸鐵鋰的軟包電芯，當(dāng)時的規(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格，降低價格起伏最大的鈷是企業(yè)的共同愿望。
 
       寧德時代也有無鈷電池的規(guī)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(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(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
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固態(tài)電池應(yīng)用仍有距離
       從技術(shù)路線上看，再遠(yuǎn)一點最可能落地的是固態(tài)電池。
 
       不過，寧德時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(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，氧化物兩個體系都在做，但說實話挑戰(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)電池的核心賣點在哪里。”
 
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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。 
 
       項延火介紹說，在2019年之后，寧德時代大部分產(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)計在2025年前后進行量產(chǎn)，更智能化CTC產(chǎn)品預(yù)計2028-2030年左右推出市場應(yīng)用。”
 
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寧德時代電池系統(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年左右就將實現(xiàn)采用蜂巢“刀片電池”的CTP技術(shù)，到2023年中實現(xiàn)第一代CTC技術(shù)，2026年實現(xiàn)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(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)計的合成理念，真正實現(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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寧德時代長壽命電池 

 
       項延火表示，寧德時代打造超長壽命技術(shù)，為的是解決續(xù)航里程痛點，實現(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。
 
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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(yè)著力攻克的技術(shù)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(tǒng)層面疊加自加熱技術(shù)，實現(xiàn)2~5度每分鐘的速熱，這樣的話能夠在-30度的環(huán)境下，只消耗四五個點的電量，達到與常溫接近的電池系統(tǒng)的能量。
 
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寧德時代電池加熱技術(shù)

 
       國軒高科低溫性能的改進，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(jīng)大為改善。另外，蜂巢也在研發(fā)一項電池加熱技術(shù)，將有效改善低溫性能。
 
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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(chǎn)品上，已經(jīng)開發(fā)了2C-5C系列的產(chǎn)品，2C的產(chǎn)品實現(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)
 
       要實現(xiàn)電池的更方面均衡，還要有一個智能的電池管理系統(tǒng)。
 
       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(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個月的預(yù)警內(nèi)短路，保障電池系統(tǒng)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(jiān)控了9萬輛電動汽車，分析數(shù)據(jù)超過16億條，具備20多項監(jiān)控項目。
 
       整體來看，三家電池企業(yè)的技術(shù)進展大致相同，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�？春谩虘B(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)攻堅克難。

(責(zé)任編輯：子蕊)
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