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一颗不会热失控的电芯就是一个电池包?这么“黑”的黑科技还不来看看 精华 1  [复制链接]

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第一电动汽车网 2020-11-11

电池包只有一颗电芯、续航可超过1000公里、绝对安全。

这三个关键词条是否会让你眼前一亮?这看似有些“黑科技”的描述,并不是在遥远的未来,2021年,带着这几个关键词的电池即将发表。

作为贴着这些关键词条的企业——辉能科技近日与第一电动网进行了一次深入交流,独家向我们披露了辉能在固态电池研究过程中的最新技术。

如何做到绝对安全的电池

正所谓世事无绝对,企业在对外发言时往往不会把话说得太满,但在交流过程中,辉能就动力电池安全方面几次提到了“绝对”,而这也是此次辉能所披露的新技术重点。

今年北京车展期间,第一电网组织了一场主题为“我喜欢的电动汽车”的用户沟通会,到场的电动车用户对当前各自的购车决策优先项做了投票。最终结果显示,安全以绝对的优势超越续航,成为这些用户购车决策的第一优先考虑。

而聚焦到电池安全上,如何保证自己的电动车不会出现热失控是消费者最关心的问题。随着近日威马因部分车型所搭载的电池存在热失控隐患而不得不启动召回,舆论对这一话题的热度也达到了顶峰。


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电池热失控是指电池内部化学反应的产热速率远高于散热速率,大量热量在电池内部积累导致电池温度急速上升,最终引起电池起火或爆炸,整个过程大致分为上图所示的五个阶段。一旦触发热失控,很难在电池模组及电池包的设计与保护机构层面上阻止,如何在热失控的化学反应过程中去阻止反应继续发生,成为了解决热失控问题的关键。

对了辉能来说,ASM技术就是这个关键。

所谓的ASM,全称是Active Safety Mechanism,翻译成中文就是主动安全机制。由于是核心专利机密,辉能方面并没有透露ASM实现主动安全的原理是什么。

“导入ASM后能主动终止电池的热失控反应。你可以把它想象成在能量急速变化时,ASM就会自启把电池‘杀死’,把电池变成石头,让电池停止反应,从而将电池转变成稳态。”辉能相关负责人告诉第一电动网。


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既然有“主动”,自然就有“被动”与之相结合,双剑合璧才是达到“绝对安全”标准的保证。

根据辉能介绍,“被动”安全指的是固态电池本身的特性,因为无隔膜或PP/PE,故没有第二阶段反应,同时,氧化物电解质延后了正极分解,大幅降低了产热幅度。在加入了ASM主动安全机制后,第3到第5阶段的极层化学反应将自我阻断,“两者结合,让我们能保证模组甚至到电池包都不会有任何热失控反应发生。而采用了ASM的电芯,连假性热失控都不会出现。”


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这里的假性热失控,是指辉能的电芯在进行ARC测试(在近似绝热的环境对被测样品的放热行为进行测试分析,反应接近于真实反应过程,能获得热失控条件下表观放热反应的动力学参数)过程中,出现的暂时温度上升后便降温的现象(上图导入前部分),整个过程无热失控风险。在导入ASM后,假性热失控都不再发生(上图导入后部分),“这样各种高能材料在高度密集的封装下也能无安全隐忧。”辉能相关负责人介绍道。

新能源车如果更换为CIP电池包,续航将突破1000公里

ASM的导入,安全性能提升只是一方面。随着安全得以保证,电池包可想象的空间也得以延伸,最直观的便是电池包结构上的变化。


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辉能最新电池包结构示意图

从辉能最新的电池包结构图中可以看到,第一层和第四层是整个电池包的上下盖,第三层是电池包的绝缘散热材料,中间黄色部分便是电芯。

我们把这项技术称为CIP,Cell is Pack,1颗电芯就是1个电池包。”辉能介绍道。


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带模组结构的MAB

此前出于安全性的考量,辉能的MAB(多轴向双极电池电池包)依然保留了大模组(类似于CTP),“之前还做不到无模组,但在导入ASM后,就能去掉相应的安全部件,从而让封装体积效率大于85%,这意味着电池包85%体积的部件都是带电原件(根据辉能提供数据,T公司这一数值约为33%)。”

辉能方面透露,这款即将发表的电池,其电芯配方为NCM811正极+28%SiOx负极,依然是采用的混成固态,整颗电芯中只有重量不到4%的胶态电解质。在使用MAB技术制成PACK后,体积能量密度达480Wh/L。“如果将搭载了圆柱状电池的T公司电池包替换成这款CIP电池包,根据能量密度来换算,续航里程将达到1159km。”

同时,随着成组效率的提升,PACK的体积也进一步缩小,这让辉能的电池包能完全处于汽车的蓝色安全区(下图所示),从而在发生事故时减少电池包被撞的几率,进一步提升了其安全性。


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另一方面,辉能的电芯因为采用了双极电池技术,可以直接在电芯内堆叠串联,从而进一步减小阻值,这带来的最直接影响就是产热变小,热分布也变得更为均匀。

ASM和多轴双极技术的结合让我们只用35%传统电池包封装的成本甚至更少便能完成整个CIP封装过程。”辉能方面告诉第一电动网,“同时,电池的制作过程也得以进一步简化。”

由于没有电解液,所以省略了注液的步骤,同时,因为是从极片(Inlay)直接堆叠组装成电池包(Pack),省略了模组环节,与传统液态电池包相比,节省了45%的制程。另一方面,在生产设备上,辉能仅需单轴自动化设备就能实现精简高速的内部堆叠串联,从而资本投入也进一步减少。

制程的简化让整体电池包成本相较传统液态电池能减少20%,单位产能增加3倍;使用机械的复杂度降低以及工厂方面的设施精简则会让投资减少23%。”

据悉,在产能达到20GWh后,辉能电池包的成本将下降至100美元/kwh甚至以下水平。

与时间赛跑

对于辉能科技来说,面向未来市场竞争的三张王牌——LCB(锂陶瓷电池)+MAB+ASM已经集齐。

固态电芯+多轴双极电池高密度封装技术+主动安全机制,让电池在绝对安全的前提下即实现了能量密度的提升又实现了成本的下探,一旦正式投入市场,相信会成为动力电池市场中一股不可小觑的力量。


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同时,辉能固态电池的参数仍有进一步提升的空间。根据预测,在2023年其电芯SiOx负极中硅比例达到100%时,除了能大幅提升能量密度以外,成本的降幅将达到32%(在固定产能10GWh条件下)。

对于辉能来说,目前最重要的课题就是与时间赛跑,尽快形成规模效应,让成本优势尽快体现。

据了解,搭载ASM技术的新电池将于2021年在桃园工厂实现量产,产能约为0.5~1GWh。“同时我们也要在内地落地,把产线进行复制,这块难度不算太大。”

辉能预计,加上选址、工厂建设以及与产业链合作的时间,其产能将在2023~2024年间达到7~27GWh。但这期间依然面临着不确定因素。

在此前一次与辉能科技的交流中(详见【辉能科技:固态电池2022年中实现规模搭载】),CEO杨思枏曾坦言宁德时代是辉能后续真正重要的竞争对手。而就在不久前,宁德时代董事长曾毓群在公开场合演讲时透露,宁德时代新开发的产品已经可以做到不起火,只冒烟,该产品预计今年年底在部分高端车型上率先实现量产。与此同时,宁德时代还在研究一种新的电池集成技术,该技术的全称为CTC(Cell to Chassis),是一种将电芯和底盘集成一起,再把电机、电控、整车高压如DC/DC、OBC等通过创新架构集成在一起技术。

这两项新透露的技术,与辉能ASM和CIP技术有很多相似之处。

不过,对于自己的技术,辉能依然充满信心。“正因为我们率先在固态电池领域做到了模组和PACK阶段,才发现了这样的安全问题不得不去解决,因此花费了很多心思才做出ASM这项技术。从生产成熟度来说,我们领先丰田6年,领先QuantumScape7年”。

同时,辉能从材料、结构、设备到回收都有研发,除了投入时间早,布局范围也相对较广,目前已经形成了专利“护城河”。

据悉,辉能预计将于2022年迎来第一波的装机潮,但具体合作车企辉能方面暂时没有透露。厂址的选择除了此前披露的杭州,近期也有许多地方在同步推进。


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(今年7月,辉能与杭州临安区人民政府签约)

此次交流,我们与辉能达成了一个共识:未来新能源市场能做多大,关键在于动力电池技术能有多大突破。

根据高盛以及Global EV outlook 2019预计,保守估计到2025年全球动力电池市场的需求量将达到960GWh,2030年数字将上升到1840GWh。

“但如果出现动力电池技术的突破,整个市场又将在保守估计的基础上再增长187%。”辉能介绍道。


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同时,辉能也认为,2021年依然是“腥风血雨”的一年,外资车企开始在新能源领域发力,众多重磅车型也将轮番上市轰炸市场;自主品牌纷纷创立新品牌、求“独立”,以求用更大的势能巩固和扩大自己的“蛋糕”;新势力们也经过第一轮的淘汰赛,能量逐渐增大……

而作为新能源汽车的关键零部件, 动力电池企业间也是“暗潮涌动”,行业的再次洗牌或许已经临近。

但这样的“血腥”却是市场、是消费者(尤其是“等等党”)喜闻乐见的,新能源行业发展的美好蓝图正在加速展开。

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