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動(dòng)力電池技術(shù)方向的研判

文章來(lái)源:本站 人氣:164 次 發(fā)表時(shí)間:2023-08-10

 

下一代動(dòng)力電池技術(shù)正在快速發(fā)展。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到材料系統(tǒng)優(yōu)化,中國(guó)動(dòng)力電池制造商已經(jīng)開(kāi)始展現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)大的底層創(chuàng)新能力。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新層面,CTP、CTC、JTM、CTB、一站式等創(chuàng)新技術(shù)層出不窮。

在材料體系創(chuàng)新層面,無(wú)鈷電池、快充電池、鈉離子電池、鋰硫電池、固態(tài)電池、高錳鐵鋰電池等不斷創(chuàng)新。與此同時(shí),動(dòng)力電池技術(shù)的多樣化也在驅(qū)動(dòng)著設(shè)備技術(shù)的復(fù)雜性和創(chuàng)新性。動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新的背后,是全球能源改革和新能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)的驅(qū)動(dòng),也是電池企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

作為新能源汽車的基石組成部分,動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新突破也與產(chǎn)業(yè)升級(jí)空間密切相關(guān)?;趯?duì)行業(yè)的深入洞察,下一代動(dòng)力電池技術(shù)可以概括為六大方向:無(wú)鈷、4C快充、短刀電池、層壓技術(shù)、預(yù)鋰鋰補(bǔ)充和可預(yù)測(cè)性。從宏觀上看,這六個(gè)方向的內(nèi)在邏輯來(lái)自于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律。是指“礦產(chǎn)資源-關(guān)鍵材料-電池材料-電池設(shè)備-梯級(jí)回收-資源再生”的垂直整合;充換電基礎(chǔ)設(shè)施、智能制造、電池銀行等橫向協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的多元化擴(kuò)張。

它服務(wù)于整個(gè)外圍生態(tài)系統(tǒng),包括金融服務(wù)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)運(yùn)營(yíng)、資本創(chuàng)新等。在微觀層面,這六個(gè)方向直接解決了需要立即解決的問(wèn)題,包括資源瓶頸、能源補(bǔ)充和安全焦慮。

 

鈷資源稀缺嚴(yán)重威脅動(dòng)力電池供應(yīng)鏈安全

 

無(wú)鈷

全球鈷產(chǎn)量的66%來(lái)自剛果(金),中國(guó)鈷儲(chǔ)量?jī)H占全球儲(chǔ)量的1%左右。鈷資源的稀缺嚴(yán)重威脅著動(dòng)力電池供應(yīng)鏈的安全。同時(shí),鈷在陰極材料的成本中起著重要作用。

以三元523電池系統(tǒng)為例,鈷的材料成本占20%,其價(jià)格波動(dòng)將直接影響電池成本。因此,動(dòng)力電池的“除鈷”已成為全球行業(yè)共識(shí),高鎳低鈷三元體系是一項(xiàng)熱門技術(shù)。

但從廣義上講,只要鋰電池的正極材料不含鈷元素,就可以稱為無(wú)鈷電池。除低鈷三元電池外,磷酸鐵鋰、磷酸錳鐵鋰等也包含在無(wú)鈷體系中。在未來(lái)的鋰電池產(chǎn)品布局中,“大無(wú)鈷”電池的市場(chǎng)份額將超過(guò)70%,覆蓋A00-BC級(jí)、300-700公里續(xù)航乘用車、輕型動(dòng)力汽車和商用儲(chǔ)能。

 

超快充電

今年上半年,新能源汽車產(chǎn)銷兩旺,市場(chǎng)滲透率已達(dá)21.6%,部署超級(jí)快充已是大勢(shì)所趨。基于800V高壓電池平臺(tái)的電池快充成為行業(yè)布局的重點(diǎn)。

隨著800V車型陸續(xù)上市,2022年將成為800V車型量產(chǎn)的元年。然而,超快充電的挑戰(zhàn)之一是充電基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重不完善。目前,能夠與超快充電模式相匹配的充電樁/充電站數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足建立超快充電生態(tài)的需求。

 

今年上半年,新能源汽車產(chǎn)銷兩旺

 

除了前期投入成本高的制約因素外,超充電站的建設(shè)在很大程度上取決于電網(wǎng)的穩(wěn)定性。適用于800V高壓快速充電的過(guò)充電站需要超級(jí)電容器匹配,而電容器在電網(wǎng)中變換的強(qiáng)度和速度直接決定了其受歡迎程度。超充站短期內(nèi)造成的用電高峰需要大量高效的電纜通道等配套設(shè)施,是一項(xiàng)難度較大的改造工程。

因此,盡管行業(yè)內(nèi)的電池制造商已經(jīng)以更高的速度推出了更快充電電池的量產(chǎn),但從整車和充電設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性以及公共電力的穩(wěn)定性來(lái)看,4C電池可以在里程焦慮和實(shí)際設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。從中短期來(lái)看,4C+800V是公共電網(wǎng)可承受范圍內(nèi)的最佳方案,可以避免不必要的熱管理風(fēng)險(xiǎn)。

 

巖芯長(zhǎng)度減薄

如果說(shuō)無(wú)鈷是加速電池材料創(chuàng)新的體現(xiàn),那么細(xì)長(zhǎng)電池是電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新領(lǐng)域的重要方向。細(xì)長(zhǎng)電池可以通過(guò)減少電池厚度、增加電池長(zhǎng)度和取消模塊設(shè)計(jì)來(lái)提高空間利用率和電池安全性,從而使電池的直接陣列可以充當(dāng)電池組中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。從大規(guī)模生產(chǎn)制造的角度來(lái)看,細(xì)長(zhǎng)電芯面臨的最大問(wèn)題是產(chǎn)量控制和大規(guī)模制造的效率。

 

細(xì)長(zhǎng)電池是電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新領(lǐng)域的一個(gè)重要方向

 

層壓技術(shù)

傳統(tǒng)的方形電池通常是通過(guò)纏繞工藝生產(chǎn)的,但細(xì)長(zhǎng)的電池在纏繞工藝中容易出現(xiàn)褶皺、變形等問(wèn)題。層壓工藝不僅提高了方形電池的內(nèi)部利用率,而且具有以下幾個(gè)性能優(yōu)勢(shì):

● 更高的電池能量密度

纏繞空間的利用率低于疊片,疊片可以充分利用角落空間,因此在相同體積下能量密度更高。

● 內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定

由于繞組轉(zhuǎn)角處內(nèi)外應(yīng)力不一致的影響,電池會(huì)產(chǎn)生波狀變形,導(dǎo)致電流分布不均勻,內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。層壓工藝可以保持電池接口平整。

● 更高的安全性

繞組兩端的極片彎曲容易造成粉末損失和毛刺,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,造成熱失控。疊層電池具有均勻的應(yīng)力和更高的安全性。

● 更長(zhǎng)的循環(huán)壽命

疊層電池的接線片數(shù)量是繞組的兩倍,接線片數(shù)量越多,電子傳輸距離越短,電阻越小,因此疊層電池內(nèi)阻可以降低10%+,循環(huán)壽命更長(zhǎng)。

在“均化、涂布、軋制、模切、層壓、組裝”六個(gè)短刀電池的生產(chǎn)過(guò)程中,層壓的生產(chǎn)效率和質(zhì)量對(duì)電池單體的產(chǎn)量至關(guān)重要。然而,層壓工藝一直面臨著設(shè)備效率低、設(shè)備投資高、產(chǎn)量低、控制難度大的缺點(diǎn)。覆膜機(jī)技術(shù)已成為覆膜工藝滲透率增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

 

傳統(tǒng)的方形電池通常是通過(guò)纏繞工藝生產(chǎn)的

 

預(yù)鋰和鋰補(bǔ)充

通過(guò)預(yù)鋰化將鋰添加到電極材料中,可以抵消SEI膜造成的不可逆鋰損失,提高電池的總?cè)萘亢湍芰棵芏取S捎陬A(yù)充鋰工藝有望解決硅碳陽(yáng)極第一庫(kù)侖效率低的問(wèn)題,因此經(jīng)常出現(xiàn)在“硅摻雜鋰”的技術(shù)路線中。在整機(jī)廠,特斯拉的4680硅基負(fù)極電池在技術(shù)層面采用了干電極+預(yù)鋰化。比亞迪最早在2004年就開(kāi)始布局補(bǔ)鋰技術(shù),技術(shù)儲(chǔ)備雄厚。

像國(guó)軒高科、EVE和遠(yuǎn)景動(dòng)力等儲(chǔ)能電池公司這樣的電池制造商也擁有大量的鋰補(bǔ)充相關(guān)專利,主要涉及陽(yáng)極預(yù)鋰化的技術(shù)路線。正極預(yù)鋰化技術(shù)路線主要涉及杉杉和 冠宇。正極材料制造商德方納米目前正處于產(chǎn)能建設(shè)階段,預(yù)計(jì)部分補(bǔ)鋰產(chǎn)能將在今年第四季度或明年第一季度量產(chǎn)。蜂巢在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的正極補(bǔ)鋰技術(shù)已經(jīng)在儲(chǔ)能電池上實(shí)現(xiàn)了10000次循環(huán),并計(jì)劃挑戰(zhàn)12000次循環(huán),即實(shí)現(xiàn)與光伏系統(tǒng)相同的壽命。

隨著硅基負(fù)極的逐漸增多,以及高端動(dòng)力/儲(chǔ)能電池對(duì)鋰補(bǔ)充的需求,預(yù)鋰化可能成為未來(lái)鋰電池的一大發(fā)展方向。蜂巢引入CTR技術(shù)解決方案,結(jié)合預(yù)鋰鋰補(bǔ)充+短刀電芯,并添加新的冷卻和安全技術(shù)。升級(jí)后的儲(chǔ)能電池約為325Ah,完全超過(guò)了市場(chǎng)上主流的280Ah儲(chǔ)能產(chǎn)品。

 

可預(yù)測(cè)性

從材料創(chuàng)新到結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、制造創(chuàng)新,動(dòng)力電池的多技術(shù)路線不斷升級(jí)。然而,無(wú)論技術(shù)在理論上多么完美,都無(wú)法100%保證電池和電池組的安全。

在這種現(xiàn)實(shí)中,可預(yù)測(cè)性變得非常重要。通過(guò)預(yù)警算法,監(jiān)測(cè)+云計(jì)算可以提前識(shí)別電池的潛在風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)警。同時(shí),可以輸出關(guān)于剩余價(jià)值評(píng)估和空間利用的在線報(bào)告。

 

 

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