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锂电池的“叠时代”是否已经到来?
2019年08月26日 发布 分类:行业要闻 点击量:299
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进入酷暑以来,蜂巢能源这家脱胎于“长城汽车动力电池事业部”的明星企业频繁刷屏,路透社、法新社、纽约时报、美联社、美通社、新华网、新浪等诸多媒体先后报道了这家极速5分快三的高科技企业。其中,美通社对蜂巢能源的介绍是“全球首家高速叠片方形电池制造商”,而美联社则称“叠时代是以叠片工艺为特征的新技术、新材料、新工艺、新标准大量涌现的、专门为电动汽车而生的时代”。

那么,何谓方形电池叠片工艺?“叠时代”是否已经到来?蜂巢能源的核心技术又是什么?今天小编结合锂电池电芯的生产,对比卷料与叠料差异,一探蜂巢能源爆红的究竟。

电芯生产中的卷料与叠料对比

目前,电动汽车用的锂电池,主要分为软包形、圆柱形和方壳形。它们的工作原理都一样,依靠锂离子的移动实现充放电,内部由正极、负极、电解液和隔膜组成。

正极是用活性物质(例如镍钴锰三元材料粉末)、石墨粉与黏结剂混合涂布在铝箔上,再经过干燥压制而成。负极则是将石墨粉、黏结剂混合涂布在铜箔上,再经过干燥压制而成刚生产出来的正负极片,是一大卷连续的长条,由聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成的隔膜(当然,还有陶瓷涂覆隔膜)也是如此。

1 正负极材料厂生产的成品,是制作电芯的原材料,在卷料或者叠片前需要将其展开,图中,紫红色的就是铜箔,黑色的是涂布在铜箔上的石墨粉、黏结剂

由于方形硬壳电池在空间效率和安全性上比圆柱和软包电池更有优势,使之极有可能会成为电动汽车规模化发展的主流需求产品,因而被广泛关注,目前国内方形壳电池在总量上相对圆柱和软包都具有绝对优势,代表性厂商包括宁德时代、比亚迪和国轩高科等领先企业。

2 锂电池隔膜一般采用高分子聚合物材料,作用是将正负极分隔开,防止正负极接触短路,可在传统隔膜表面涂覆高纯氧化铝,使之具备更好的耐高温性能,图中白色卷料就是隔膜

过去,方形电池的正负极片一般采用卷料的方式进行生产。如图3中的左边,可以发现由于卷料的特点,会不可避免出现孔隙。然而,叠片工艺由于是将冲裁后的极片、隔膜进行堆叠,可以很好避免孔隙,这对于越大的方形电池,意味着在相同体积内,可以放入更多的极片。根据蜂巢能源的试验,对于相同尺寸的方形电池壳,叠片工艺可以将能量密度提高5%左右

3 卷绕工艺电芯(左)边角不可避免会有孔隙,叠片工艺(右)可以很好避免,根据试验数据,能量密度可以提高5%左右

除了电池壳空间效率的提升带来能量密度的提高,叠片工艺生产的方形电池还具有更高的安全性,由于锂电池在使用一段时间之后,正负极片会发生膨胀,卷料后的极片发生了一定的弯曲,呈线波浪状变形,在膨胀的应力作用下可能会发生断裂,这为电池的长期使用带来隐患。然后,叠片工艺生产的电池,其极片膨胀的方式是在堆叠的竖直方向上,仅会将力作用在高强的铝合金电池壳上,因而不存在断裂的隐患,锂电池变形的概率也会大幅度下降。根据蜂巢能源的试验,叠片工艺生产的方形电池循环寿命可以提高10-20%。

此外,卷料法生产的方形电池内,箔片是一个连续的整体,由于工艺简化的需要,仅在部分极片间装有极耳,而叠片工艺生产的电池由于极片层之间空间上的隔绝,是在每个极片间装有正负极耳(充当导线的作用),因而其电池内部的电阻更低,在电流通过发热的时候,产生的热量更小,因而热膨胀减少,安全性提高。

因此,可以说叠片式方形电池的确在能量密度安全性两方面均优于传统的卷料式方形电池。那么既然叠片工艺那么优秀,为什么一直以来都未大规模应用在方形电池生产呢?

速度是制约叠片工艺发展的关键

事实上,制约叠片工艺应用的很大问题就是传统叠片速度在每片1-1.2秒,生产效率为卷料工艺的一半,而蜂巢科技的杀手锏正是其45度旋转式高速叠片工艺及设备的开发,目前已经实现了0.6秒每片的堆叠速度,辅助时间由10s降至7.5s。

4 蜂巢能源已经完成单工位0.45秒/片高速叠片工艺验证和样机开发,根据其规划,在2023年实现0.25秒叠片速度,这一速度将直接快于卷绕法(图片来源:蜂巢能源)

得益于叠片工艺进行的开发和制造,蜂巢能源开发了高端PHEV叠片电池,采用51Ah PHEV电芯,模组可使插电式混合动力车型纯电续驶里程从50km提升至80km,同时,基于叠片电芯超高的功率特性及循环寿命确保在加速、低温等更加优异的用户体验。未来,该产品将配套长城旗下WEY P8等车型。

5 蜂巢能源发布的高端PHEV叠片电池

最后,除了引人关注的蜂巢能源的新闻,值得注意的是,今年7月,极速5分快三汽车工业协会和国际自动机工程师学会(SAE)联合举办的首届极速5分快三国际电动汽车安全技术创新大会上,发布了《极速5分快三车规级动力高速叠片电池发展白皮书》。白皮书的发布,一方面通过纵向回顾锂电技术的演进,向行业指明叠时代是动力电池工艺革新的必由之路;另一方面,通过横向对比叠片工艺和卷绕工艺的差异,提出了车规级电池需要满足的安全、续航、寿命、尺寸、容量、价格等条件,从而为电池产业链上的各方制造工艺创新提供了明确的标准指导。

如此看来,若蜂巢能源常州工厂顺利投产,表明其至少比主流电池厂商领先三年进入了电池的“叠时代”(因为根据CATL、松下、三星SDI、孚能科技、万向A123、微宏动力等锂电池行业新旧势力都有在2022年之后导入叠片工艺的计划)。

6 2019年上半年动力电池单体供应商累计出货量TOP10排名(GWh)

不过,动力电池的生产涉及电化学基础、关键原材料、电芯设计、模组与电池包设计等诸多方面内容,单靠叠片法的高速生产肯定无法决胜残酷的锂电市场。从公开的信息来看,蜂巢能源除了引以为傲的叠片工艺之外,在今年还先后发布了无钴电池、四元电池,并宣称其无钴材料性能可以达到NCM811同等水平。

综合而言,蜂巢能源在前沿技术材料、先进工艺开发上与行业主流龙头吻合,目前取得的技术进展可圈可点,其技术创新极大推动着锂电池“叠时代”的到来。在蜂巢能源1750人的团队规模中,研发团队人数达到1030人,光外聘/外籍专家就有350人,可见其对研发的重视。但是,从2018年装机量来看,宁德时代装机量23.4GWh,而蜂巢年化装机量不到2.5GWh,这之间有将近十倍的产能差距,随着企业的扩张,供应链管理、成本控制、研究成果转化等诸多问题又会出现。蜂巢能源在技术上的前瞻性投入能否维持,以小博大,攻克商业化道路上的困难,我们拭目以待。

参考文献

对叠片式锂离子电池极耳弯折的研究,多氟多新能源有限公司,杨豪亮,韩广欣,刘兴丹,牛猛卫。

方形叠片+NCM811-蜂巢能源的“技术牌”,蜂巢能源。

万钢视察蜂巢能源,鼓励叠片方形电池创新思路,蜂巢能源。

蜂巢能源即将量产NCM811配硅负极方形电池能量密度高达265Wh/kg,蜂巢能源。

蜂巢能源首秀上海车展开启高端动力电池“叠时代”,蜂巢能源。

By:火宣


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