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电动汽车论坛 电动汽车论坛-电动汽车网 『 电动汽车爱好者交流区 』 蜂巢杨红新:叠片无钴电池明年6月装车
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蜂巢杨红新:叠片无钴电池明年6月装车 精华 1  [复制链接]

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2020-09-07来源: 汽车商业评论


近日,业界广为流传的一则消息称,“广汽新能源将召回搭载811电池的Aion S,并整体更换电池包”。又传出一张微信聊天截图,声称宁德时代即将放弃811 电芯,将内部研发重心转向“523”体系。宁德时代对此进行了辟谣,但811 电池的安全问题仍在被质疑。


现在流行的三元锂电池中,无论是NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝),其中都有钴,钴金属的两大特点,一是不可再生,二是非常稀缺,其在三元锂电池中起着稳定材料层状结构、提高材料循环和倍率性能的作用。


如果将电池中钴成分降低甚至取消,电动车将会更具性价比。所以从“无钴电池”这一概念诞生之初,就背负着降低电池成本的使命。


因此当下全球电池供应商和车企都在想各种办法,在不影响性能的前提下,减少钴在三元电池中的含量。从NCM532到622再到现在的811电池,都是在降低电池中钴的含量。


然而, 在811三元锂电池正极材料中,镍元素占80%,而高活性的镍元素比重越大,正极材料的热稳定性就越差。当电池遇到高温、外力等冲击,更容易引发热失控,进而引发电池起火爆炸。


因此,在走向少钴或无钴的降本道路上,要做到安全的“无钴化”,必须要有除提升镍含量以外的技术突破。


比亚迪的刀片电池利用形状特点提升了电池包纵向的利用率,缓解磷酸铁锂能量密度先天不足的局限性,再加上无模组技术,在成本下降30%的同时,电池能量密度提升50%。


宁德时代选择了基于磷酸铁锂电池发展无钴电池的技术路径。宁德时代推出的CTP(Cell To Pack)技术,通过省去电池模组,对电池包结构优化,从而实现大幅降本。


LG化学、松下等外资企业正着手研究,通过研发四元电池等方式,尽量减少钴元素的使用量及依赖程度。LG化学已经宣布与通用汽车合作,计划2021年量产名为Ultium的NCMA四元锂电池,其成本实现超过30%的降幅。


今年5月,由长城汽车剥离而独立发展仅两年的动力电池公司蜂巢能源首发两款叠片NMx无钴电池,最早将在2021年6月份推向市场。这种叠片无钴电池支持单次充电可续航880公里,安全通过150°C热箱实验,循环寿命2500次,使用周期超过15年120万公里。


这种无钴电池通过材料掺杂、单晶技术和纳米网络化包裹,在能量密度与高镍三元相当,使用寿命和安全性高于高镍三元。那么其功能是如何实现的呢?


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蜂巢能源总裁杨红新在第十二届中国汽车蓝皮书论坛上做了讲解,并对动力电池格局和未来技术发展路线进行了分析,认为叠片无钴电池将成为基础性的未来趋势。


以下是杨红新演讲的实录,汽车商业评论整理,有部分删节。


大家下午好,我是蜂巢能源的杨红新,上一场殷总主持得特别好,成功让充电和换电两组人怼起来,我是特别想参与上一场的讨论。因为我原来是在整车厂工作了十几年,近几年是在电池厂工作,所以我也有我的一些想法。


不管是充电还是换电,前提都是车电分离是最重要的,只要车电分离做到了,其实对电池企业都是最大的受益者。因为车电分离以后,消费者购车成本降低了,电动车卖得多了,要建换电站,除了车上的电池,换电站也要储备很多的电池,所以对电池企业是一个利好。


另外一点,刚才提到的标准化问题。我们电池企业也特别关注电动汽车电池的标准化,这个事情短时间肯定很难实现,但是长期看是有机会实现的,取决于电池的体积能量密度到底做到什么样的水平。接下来我的主题是动力电池格局和技术路线的演化。


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动力电池的未来格局取决于市场和客户需求


刚才提到的电池标准化,其实就是未来一个非常重要的技术路线的演化趋势。大家知道12V的铅酸电池,基本都已经通用化,不管是大众、奥迪还是国产车,都可以用同样的12V铅酸电池。


但是锂电池太大了,它严重地挤压了整车的轴距、轮距和高度,所以很难做到标准化。如果体积能量密度提高一倍,我们把整个电池包的宽度缩短一半,把它集中在车辆的中通道的位置,这个时候是可以做到标准化的。靠什么来实现?肯定是靠从化学体系到结构设计不断地创新来实现的。


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今天,我们想说的是动力电池未来的格局,核心的路线到底是什么?其实走什么技术路线,取决于客户的需求是什么,取决于整车厂的需求是什么。


客户跟整车厂到底需要什么呢?大家在新闻上经常听到自燃问题,所以安全肯定需要,大家说一次购车成本高,所以成本很重要。大家说现在电池太重,体积太大,所以能量密度也很重要。还有循环寿命,有人想用20年,寿命很重要,有人想快充,功率也很重要,放电功率也很重要,这些都是客户和整车企业的需求。


那我们做哪一点,不做哪一点?对于整车厂来说都想要,但是对电池厂来说很难,因为这里面很多指标是相矛盾的。


我们不可能在今天,把安全、寿命、功率每一个拎出来单说。未来的趋势会变成什么样?我是希望站在最基础的角度做一些分析,哪些基础技术可以同时实现多个未来客户跟整车厂的需求,尽量满足多样化的需求。


那么我选择的主题是叠片无钴,也是有它的原因的,刚才讲充电的时候也提到了一个,现在电动车的销售对象,主要还是B端的多,今年开始,C端的多了,什么时候电动车开始真正普及?


一定是大量私家车主成为购车主力,占到90%以上,就像现在的燃油车一样。那么什么时候才能够实现?要做什么工作?成本是非常大的一个障碍,也是非常关键的一个诉求。


这里面有一个测算公式,是成本回收期的计算,我们把它分成A00、A0、A、B、C不同级别的车,不同级别的车电池价格是不一样的。


不同电池的价格,从纵坐标来看,成本回收期也是不一样的,这里面考虑了很多价差和用车成本的因素在里面。市场上将来最主流的电动车,其实应该和燃油车一样,是A级车应该占到绝大部分的市场销量,是最主流的车型。


A级电动汽车实现跟燃油车对等,以及满足客户期望的成本回收期,经过测算是3.4年。什么时候能够实现,保守的测算是2025年。2025年电池的成本,可以支持A级主流家用车,在三四年之内回收回来,那时就可以达到大规模普及程度,这是一个比较新的维度的思考。它不仅仅单纯的考虑是初始构成成本,还考虑了非常多的因素。


成本既然这么关键,影响到我们什么时候实现电动车的普及,我们希望2023年或更早普及才好,这样我们的电池还可以多卖一些。


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正极材料是动力电池降本的关键


那么怎么降成本?我们回顾历史,其实各方面都在降,材料在降,设备价格在降,制造成本在降,设计工艺产生的结构性成本也在降,都在降。


但是,其实这里面有很多数据,降幅最大的还是四大主材,四大主材类里降幅最大的还是正极,降幅是非常高的。


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我们说生产效率,一次成本投入非常大,建一个电池厂的投资比建一个汽车厂还要大。但是如果分摊到5年折旧,10年折旧里面,再分摊到每瓦时的电芯成本里面,设备占成本比是比较低的,几分钱,但是材料占比是最大的,影响也是最大的。


所以我们的关注焦点,还是要放在主材上。当然技术进步,我们CTP的技术,以及我们长电芯的开发,进一步提高密度,都可以进一步降低成本。


CTP最近比较火,但是我认为它更主要的作用是提高安全性。因为把模组的端板、侧板取消以后,可以释放出大量的空间,这些空间可以用于增大电芯的间隙,就有机会实现一个电芯热失控,相邻电芯不产生热失控这样的一个目标,这实际上已经成为国际跟国内的最主要的目标。


所以CTP不仅可以降成本,还可以提高我们的安全性。这也是汽车行业,电池行业在积极努力创新的地方。


我们提到正极材料,就不得不提到对正极材影响最大的是什么。现在除了磷酸铁锂以外,最大的材料供应体系还是三元锂电池,如镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂,当然镍占比很高,811电池中镍占80%左右的,但是镍在全球的金属比例当中,用在锂电池上的比例是很小的。


钴是不一样的,手机用的是钴酸锂,用钴量非常大,所以钴对正离子材料成本影响是非常大的。


我做过锂电池很多年,下面坐着做电池的前辈,大家可能都知道,2008和2018年,10年中出现了两次钴价的剧烈波动,从10元左右涨到40多元,还买不到。


如果电动汽车将来要做到一年一千万辆,一年两千万辆,这种大工业连续制造的商品,是不允许出现这样的供应链问题的。汽车企业讲供应链安全,它是绝对不允许出现的。这种情况是会严重制约电动汽车的普及的。


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那么这张图是我们公司画的,其实整个行业也差不多。这张图有一个特点,越向上的电池,能量密度越高。另外一个特点是,不管是铁锂、无钴、四元、三元、固态,在能量密度提高的同时,都在想办法把钴的含量向下降。从最早的111到523,到6系7系8系,现在NCMA和NCL做到9系的,镍的含量一直在上升,钴的含量一直在下降,人类在追求去钴化和无钴化的道路上,一直在做各种各样的功课,从来没有停止过。


在能量密度提升的同时,它的价值是巨大的,可以释放大量的车内空间。我们知道有的电动汽车为了把电池塞进去,坐到后排以后,就像坐小板凳一样,腿是非常难受的,躯干角非常不合理。


如果我们能量密度提高了,电池可以做矮做窄,又可以实现标准化,这绝对是未来永远追求和努力的方向,就是提高能量密度。


但是路线确实不一样,也会分场景进行应用。磷酸铁锂有它的场景,无钴有它的场景,811有它的场景,场景不同,但是在去钴这条路上是相同的。我这里面写的无钴指的是高能量密度电池的无钴,磷酸铁锂也没有钴,但是它是低能量密度电池的无钴,我们后面说的无钴电池都是指的高能量密度的。


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高速叠片工艺是动力电池未来的趋势


那么前面讲到的是材料,我们再讲讲工艺,现在软包电池公司都是叠片工艺的,其他的电池大部分都是卷绕工艺的,其实各有优劣势,不是谁对谁错,但是我们还是要看未来,未来客户到底需要什么。


回到刚开始说到的话题,客户需要的是长寿命的电池,客户需要的是功率性特别好的电池。就是所有不合理的要求、合理的要求,他都要你满足。


那么卷绕工艺,在经历这么多年的发展之后,遇到了很大的瓶颈,叠片工艺先天上有很大的优势。比如能量密度的提升,比如稳定性,比如说极耳数量多一倍,工艺性更好,所以叠片工艺是非常有前途的。


尤其是当我们把电池的尺寸越做越大的时候,我们知道最早VDA,后来是590模组电芯,220的。现在比亚迪出的刀片是更长的,574这个尺寸,它和590标准模组可以兼容,这个电芯既可以用无模组在电池包里布置,又可以把它装到590模组里,兼容性非常好。


但是电芯做得越长,其实能量密度越高,成本越低,因为叠片,每叠一个小的片进去,和每叠一个大的片进去,叠的活性物质的量是不一样的,所以越大,生产能量的效率就越高。


同时,越薄的电芯,散热性更好,做针刺的话,容易通过。那么叠片是最适合电池的工艺的。


当然还有极耳数量增加了一倍,它的内阻可以降低10%,功率也可以得到提升。还有能量密度,空隙都可以填满,还有界面是非常良好的,卷绕不会出现左边的S变形,包括边缘位置的断裂产生的纹路,所以从安全性能上来讲,叠片也是非常好的。


另外就是膨胀,它的初始膨胀率和中器后期膨胀率是低于卷绕工艺的,所以对模组的压力也会更小,也会提高安全性。


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无钴电芯将在明年推向市场


叠片和无钴,一个是工艺制造角度,一个是材料成本和安全性角度,是基础性的未来趋势,可以满足对成本,对效率、对功率、对寿命各方面的要求。


钴这种材料确实是非常非常重要的,每年都有人会起诉苹果公司,会起诉特斯拉,说他们使用的钴来源不干净,这也成为整个行业非常痛的和不可回避的问题。


钴的储量这么小,只有710万吨,而且还特别集中,只有几家公司可以制造生产,特别容易被操控。电动车单车用量又非常大,Model S已经用了9系高镍电池了,但是单车用量还要消耗掉13.68公斤的钴,所以钴这个问题不消除,肯定是不符合未来电动汽车发展的趋势。


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大家都知道要去掉钴,或者把钴减少,但是技术的挑战确实是非常多的。其实无钴高能量密度的电池理论,在20年前日本的学者就提出来过,但是这么多年来,要不就是大家投入精力少,要么就是技术没有做得很好,现在还没有解决锂镍混排的问题。如果8%-10%锂镍混排不能解决的话,产品稳定性、倍率性都是非常差的。


解决方案有很多种,经过很长时间的摸索,包括我们也做了很多年的摸索,从增加镍的含量,到用一些技术来提高它的稳定性。总体来讲就是提高阳离子模式等,太专业的就不在这里讲了。


从测试数据来看,我们的115Ah产品,就是刚刚生产的电池的锂镍混排可以控制在3.5%左右,是非常低的。


那么循环到后期的电池,锂镍混排控制在小于5%以内,会很好地解决了前面提到的锂镍混排的问题,同时金属溶出这个问题,也是无钴电池必须要解决的。


从右边的这个图上来看,跟811三元电池对比,我们的镍、锰的溶出率都小于811三元电池的材料,所以循环寿命和稳定性都是非常好的。我们已经成功下线了吨级中试的无钴材料,可以说已经量化了。


从产品上来看,无钴材料、无钴电池一定要是高能量密度的才可以,如果能量密度过低就是磷酸铁锂,没有价值了。它的能量密度一定要接近811三元电池的水平,同时是安全的,比7系的三元电池更安全,循环寿命好,成本还要低。


还是回到刚开始说的,客户什么都想要,我们就做一个什么都能满足他要求的产品。从实际数据来看,这些目标都已经满足了。


这是我们的动力性的测试,唯一一个还有问题,就是第一张图,20%的SOC下,就是DSOC下的功率性能是偏弱的,因为没有钴以后,它的内阻在低温下会偏高。


我们也在做解决方案,在测试。其他的功率性能都是挺好的,包括零下30摄氏度的低温性能,还可以支持70%的续航,包括零下20摄氏度的低温充电,界面保持得非常好。


还有高温循环寿命,可以超过1200次,常温循环寿命1C1C,我们100%可以超过2500次,811只能做到1500次。


我们做的针刺实验不是刺穿的,是按照欧洲客户要求做的浅刺,欧洲客户要求,刺穿三层电极,只要不起火,不爆炸就算可以,我们刺穿了六层,右边的图片来看都是非常好的。


还有150摄氏度的热箱,高能性能也是高镍材料最害怕的,我们也顺利的通过了150摄氏度热箱的测试,还有140%的SOP的过充,还有外部短路,包括一些其他测试数据。


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以上讲的是无钴材料的进展,大家都说无钴材料这么难,真的可以量产吗?现在可以负责任地告诉大家,肯定可以,明年6月份我们就会把无钴电芯推向市场,装到车上销售。


那么无钴还有一个问题,就是它的内阻是偏高的,如果把叠片技术用上,可以再降低5%的内阻,所以叠片加无钴,这两种技术的结合,既可以发挥无钴的优势,又能解决无钴的痛点。


那么我们在把它做成长电芯,做成薄电芯,L6的长电芯,大概将近600毫米长,做成右边的无模组的LCTP的Pack,我们叫矩阵式Pack,一个电池包里放两台电芯,没有模组。它的能量密度,比传统的设计提高了9%,空间利用率提高了17%,电量提升了24%。


长城一款采用这种布置形式,无钴、无模组的电池可以做到880公里续航,同时也可以做成有模组的,就是装到MED590的模组也可以,兼容性非常好。


以上就是我关于对未来电池技术路线的一些分享,不管怎么样,安全、寿命、能量密度各方面的追求,都是没有止境的。


现在我们电池企业,整车企业,对于电池机理的了解还是非常肤浅的,电芯到底为什么突然会自燃?为什么会突然热失控?机理是什么?我们现在都没有办法完全弄清楚,


当然我们有比较初步的认识,但是还没有做到研究透,如果真的研究透了,缺陷就可以避免掉。


所以我们现在也在做一些研究工作,就是在极低的温度下,零下160摄氏度,用液氮冷冻热失控的步骤,在电芯刚刚产生内短路和产生的初期和后期,把它冻住,然后瞬间把它静止,看它的界面,看它的机理等等,这只是其中的一个研究。


目前我们对电芯这个行业的研究,还需要不断地努力和提升。未来的方向,我们希望通过蜂巢能源,通过孚能、力神,我们共同努力,把满足客户的动力电池的技术,不断推向前进,不断满足客户的需求,我的分享就到这里。谢谢大家!

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