全球動(dòng)力電池市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)起云涌,處于競(jìng)爭(zhēng)中心的無(wú)疑是吸引眾多頭部車(chē)企競(jìng)折腰的全極耳大圓柱電池。松下、LG、三星等日韓名企及比克電池、寧德時(shí)代、億緯鋰能等國(guó)產(chǎn)勁旅都先后官宣正在進(jìn)行4680為代表的大圓柱電池的原型開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)制造。

憑借成熟的材料體系、可靠的形狀設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝,全極耳大圓柱電池被行業(yè)普遍認(rèn)為是“下一代電池主流產(chǎn)品”、“新能源汽車(chē)滲透率的突破口”、“性能六邊形選手”。然而,車(chē)輛開(kāi)發(fā)和原型驗(yàn)證周期較長(zhǎng),對(duì)于車(chē)企而言,電池技術(shù)路線(xiàn)的選擇決定了自己能否在幾年后的競(jìng)爭(zhēng)中不落人后。在規(guī)?；土慨a(chǎn)應(yīng)用來(lái)臨之前,全極耳大圓柱電池的性能優(yōu)勢(shì)究竟如何,應(yīng)用于整車(chē)又將帶來(lái)怎樣的表現(xiàn),都是備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

12分鐘超級(jí)快充獲權(quán)威期刊驗(yàn)證

緩解里程焦慮是提升新能源汽車(chē)滲透率的核心,快充性能也因此成為了動(dòng)力電池的性能突破口。近日,一篇發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)能源類(lèi)期刊《Journal of Power Sources》的學(xué)術(shù)論文引起了業(yè)內(nèi)關(guān)注,這篇文章首次采用了真實(shí)商業(yè)化的全極耳大圓柱電池,驗(yàn)證了12分鐘超級(jí)快充的可能性,全面展示了開(kāi)發(fā)成熟的全極耳大圓柱電池的巨大潛力。值得一提的是,這篇文章采用的電芯來(lái)自國(guó)內(nèi)圓柱電池技術(shù)的佼佼者,在國(guó)內(nèi)率先發(fā)布4680電芯的比克電池。

文章中,作者基于對(duì)真實(shí)電芯的數(shù)據(jù)采集,建立了精準(zhǔn)的電芯熱-電-電化學(xué)耦合的數(shù)字模型,在-20°C到60°C的寬環(huán)境范圍內(nèi)都可以和電芯的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匹配。通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,文章探究了幾種條件下電芯的最優(yōu)化充電時(shí)間和熱管理策略,驗(yàn)證了在電芯不發(fā)生析鋰的前提下:在20°C環(huán)境下,可11分53秒內(nèi)將電池從10%充到80%;在零下20°C環(huán)境下,可將10%-80%的快充時(shí)間優(yōu)化到15分58秒的水平,為行業(yè)提供了全極耳大圓柱電池12分鐘內(nèi)超級(jí)快充性能的展望。

高安全加高能量密度成就超快充

那么全極耳大圓柱電池是如何達(dá)成如此“極致”的快充表現(xiàn)的呢?鋰電池的快充性能在表象上,依托于創(chuàng)新的電芯設(shè)計(jì)及材料設(shè)計(jì),但本質(zhì)上還是取決于體系的能量密度,因?yàn)楦痰某潆姇r(shí)間與更高的能量密度總體上是個(gè)相互取舍的關(guān)系,而要大幅提升能量密度,還需要更高的本征安全上限作為支撐,三者密不可分。

圓柱形電芯的高安全性,使它成為了兼顧高能量和超級(jí)快充的最佳載體。目前幾種主流形態(tài)中,圓柱電池是安全性最高的,這主要由其單體和電池包結(jié)構(gòu)特性決定的,單體最小,有效分散風(fēng)險(xiǎn);單獨(dú)外殼保護(hù)和獨(dú)立泄壓裝置,多重保障;電芯蜂窩狀排列,空隙保障了足夠大的單體與外部熱交換面積; 更重要的是,圓柱形電芯的中心對(duì)稱(chēng)特性使其可以有效束縛內(nèi)部極片的膨脹,使整個(gè)生命周期內(nèi)電芯的外形都不發(fā)生改變,這些使其可以支持更高能量密度的化學(xué)體系,例如高鎳三元正極、硅碳負(fù)極等在方形和軟包等平行極片結(jié)構(gòu)的電芯上很難實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的體系。

憑借圓柱結(jié)構(gòu),通過(guò)搭載高鎳正極、硅負(fù)極、摻硅補(bǔ)鋰等先進(jìn)技術(shù),能量密度可大大提升,根據(jù)比克電池此前的報(bào)道,其全極耳大圓柱電池就是搭載了鎳含量90%的高鎳正極和首效達(dá)86%的第三代硅基負(fù)極,可為整車(chē)提供800公里以上的續(xù)航里程,這一數(shù)字伴隨著產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化落地,還會(huì)持續(xù)提升。

圖為比克全極耳大圓柱電池結(jié)構(gòu)示意

創(chuàng)新全極耳設(shè)計(jì)為超級(jí)快充插上翅膀

在保障高安全和足夠的續(xù)航里程的基礎(chǔ)上,全極耳電池的超級(jí)快充才能真正助力電動(dòng)車(chē)使用體驗(yàn)媲美燃油車(chē)。比克的全極耳技術(shù)與特斯拉的無(wú)極耳技術(shù)有所不同,但底層邏輯相通,都是沒(méi)有在極片上額外焊接金屬片作為極耳來(lái)匯集電流,而是將極片上額外伸出的集流體箔材直接焊接至集流板來(lái)匯集電流,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì),及生產(chǎn)設(shè)備和工裝夾具的配合,實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)圓柱電芯還要高效的工藝解決方案。經(jīng)測(cè)試,采用全極耳的電芯,比同體系傳統(tǒng)單極耳電芯的內(nèi)阻降低了70%以上,這意味著極高的功率輸入(充電)及輸出(放電)。

根據(jù)比克電池的公開(kāi)數(shù)據(jù),在全極耳技術(shù)、先進(jìn)化學(xué)體系和電芯設(shè)計(jì)能力的加持下,比克即將量產(chǎn)的大圓柱產(chǎn)品,可以實(shí)現(xiàn)5分鐘內(nèi)將電量從10%-50%,相當(dāng)于200-300 Km續(xù)航里程,12分鐘內(nèi)將電量從10%充至80%,相當(dāng)于520公里續(xù)航里程,同時(shí)支持高速服務(wù)站等應(yīng)用場(chǎng)景下4C以上充電倍率的超級(jí)快充需求,與現(xiàn)在的燃油車(chē)加油體驗(yàn)幾乎一致。這個(gè)數(shù)據(jù)在前述學(xué)術(shù)論文中也得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

圖為比克全極耳大圓柱電池

性能成本兼顧的六邊形選手

全極耳大圓柱電池的成本優(yōu)勢(shì),也是其備受追捧,未來(lái)可期的關(guān)鍵。在單體層面,華泰證券分析師凌岳斌就曾在采訪(fǎng)中表示,4680圓柱電池的制造成本比2170圓柱電池成本要低17%左右,生產(chǎn)速度最高可提升7倍。系統(tǒng)層面,全極耳的設(shè)計(jì)使得電芯單體熱量分布均勻,對(duì)整包熱管理的散熱設(shè)計(jì)要求更低,從而有效降低了整體重量,制造成本也會(huì)相應(yīng)減少;另一方面,圓柱電池的尺寸越大,整包的單體數(shù)量就越少,BMS也會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)化,無(wú)形中成本大幅度下降,如果采用CTP、CTC等創(chuàng)新技術(shù),成組的效率會(huì)進(jìn)一步提高。此外,圓柱電芯高度標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得車(chē)廠(chǎng)在平臺(tái)開(kāi)發(fā)和迭代時(shí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等可以通用,成本急劇降低。例如高中低端的車(chē)型平臺(tái)可以?xún)H僅替換電芯的化學(xué)體系,并相應(yīng)調(diào)整BMS軟件策略,而其他機(jī)械設(shè)計(jì)則可大部分通用。

結(jié)語(yǔ)

去年至今,松下、LG、比克電池、寧德時(shí)代、億緯鋰能等國(guó)內(nèi)外眾多動(dòng)力電池廠(chǎng)商,從躍躍欲試到搶跑占位,從技術(shù)突破到產(chǎn)能布局,不斷涌入全極耳大圓柱電池這條新賽道。

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)云變幻,站在車(chē)企的角度,對(duì)全極耳大圓柱的布局無(wú)疑是押注未來(lái)幾年的重要選擇。布局大圓柱的車(chē)企第一梯隊(duì)已進(jìn)入量產(chǎn)前夜,商業(yè)化電芯的優(yōu)越性能得到驗(yàn)證無(wú)疑是量產(chǎn)前夜的一劑強(qiáng)心劑。可以預(yù)見(jiàn),站在動(dòng)力電池需求金字塔頂端的全極耳大圓柱電池即將以可觀(guān)的前景為全面電動(dòng)化提供新活力。