中國汽車工程師之家


中國汽車工程師之家--聚集了汽車行業80%專業人士 

論壇口號:知無不言,言無不盡!QQ:542334618 

本站手機訪問:直接在瀏覽器中輸入本站域名即可 

您當前所在位置: 新能源車 > 查看內容

動力電池行業深度報告

文章作者頭像
發布:liuxianglong 來源: 東方證券
PostTime:28-3-2020 16:49
提升帶電量解決多數問題

以下為文章全文:(本站微信公共賬號:cartech8)


汽車零部件采購、銷售通信錄       填寫你的培訓需求,我們幫你找      招募汽車專業培訓老師

提升帶電量解決多數問題,

電池成本決定汽車電動化前景

電池系統成本是撬動汽車電動化的支點

對車企來說,動力電池最重要的性能指標依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循環次 數,其中安全性是壓倒一切的考量。此外,根據麥肯錫 2016 年進行的一項電動車消費者習慣調查, 中美德三國消費者對于電動車的疑慮依次是產品價格、續航里程、充電便利性、車型/品牌。

綜合來看,汽車電動化的必要條件是在滿足安全性的前提下,以能夠接受的成本緩解消費者的續 航里程焦慮(>400 km)。

成本方面,:產能階段 性過剩,五大因素塑造行業格局》里的測算,電池系統的價格需要下降至 0。6~0。7 元/Wh,才逐漸 具備替代燃油車的條件,這意味著電池層面成本至少還需要下降 35~40%。這一測算結果與上汽高 管在 2020 年汽車百人會上的發言幾乎一致。因此,電池系統成本是左右汽車電動化進程最重要的 因素。

對電動車續航里程影響彈性較大的 變量依次是電機傳動效率、帶電量、車身重量、風阻系數和能量密度。值得注意的是,整車的設計 能力,如風阻系數、迎風面積以及電控效率對續航里程的影響甚至高于萬眾矚目的電池系統,可見 整車自身仍有非常大的挖掘空間以提升續航里程及產品力。

進一步地,我們假設其他參數不變,僅調整帶電量和能量密度。

不難發現,盡管理論上較低的能量 密度最終會導致新增的帶電量邊際效應為零,但計算得知該臨界點已超過 1000kWh,在帶電量低 于 100kWh 時,可以認為汽車續航里程與帶電量呈線性關系。

以蔚來汽車的電池系統為例,2018 年 ES8 上市時所用電芯的能量密度為 210Wh/kg,成組之后質 量能量密度僅有 132Wh/kg,重量成組率為 63.6%,體積成組率則僅有 31.7%,由于車身過重以及 風阻系數偏高,以 70kWh 的帶電容量 NEDC 續航里程僅有 350km。經過設計改進之后,2019 年 推出的 ES6 基礎版(70kWh)NEDC 續航里程達到 430km,高容量的車型(84kWh)續航里程達 到 510km,其質量能量密度和成組率也分別達到 170Wh/kg 和 70%,因此提高電池裝載量是改善 汽車動力性的不二法門。

因此,對于電池系統而言,帶電量是更具決定意義的參數,質量能量密度的影響相對有限。

值得一 提的是,提升帶電量還可以緩解諸多困擾電動車的頑疾,以帶電量分別為 30kWh 和 60kWh 的兩 輛車為例,除了續航里程提升近一倍之外,大容量電池系統還有很多其他優點:首先,大容量電池 系統對于電芯的放電倍率要求降低,整車等速巡航階段的輸出功率約 10kW,但加速階段輸出功率 很大,峰值功率可達 100kW 以上,小系統的瞬時放電倍率要求達到 4C,這對電池壽命造成較大 傷害,而大系統的放電倍率要求僅為大系統的一半;其次,大電池系統的循環次數要求也大為降低, 假設汽車要求行駛里程達到 20 萬公里,小系統的循環次數將達到 1100 次,而大系統的循環壽命 要求僅為 570 次,這為更高能量密度、低循環壽命的電池使用開拓了空間;三是充電功率顯著提 高,在充電倍率相同的情況下,大系統快充半小時(soc 從 30%充至 80%)即可行駛 220 公里以 上,極大程度上緩解了充電壓力,此外,車內空調等其他體驗也有明顯改善。

降低電芯成本是電池系統降本的核心任務

車企對于電池的需求可以簡化為以盡可能低的成本裝載更多的電池,

電池企業努力的方向可收斂 至 1)降低電池制造成本,為提升電池裝載量提供經濟性空間;2)提高電池系統體積能量密度, 提升電池容量潛在裝載空間;3)定制化生產,滿足參數設計的定制化要求。

如前所述,ES8 電池系統的重量和體積成組率分別僅有 63。6%和 44。2%,但電芯的成本占比卻遠 高于此。根據公開數據,軟包電芯的系統成本占比達到 70%左右,方形電芯的成本比重則高達 80%, 隨著電芯能量密度的提升,結構件的重量和成本占比還會進一步下降,因此降低電芯成本是系統降 本的核心人物。在目前一線電芯企業格局已基本清晰的情況下,電池企業下一步競爭的關鍵是在確 保安全性的前提下,盡可能降低電池制造成本,其他諸如能量密度、循環壽命等性能的優先級相對 靠后。

電芯成本解析:原材料成本占 9 成,非活性物質比例 較大

參數設計:定制化特征明顯,容量提升推進電芯標準化設計

鋰電池是有一定差異性的產品,汽車不同的功能需求對于電池的參數有著決定性的影響。

粗略來 看,根據使用情況可將鋰電池分為兩類,一類是功率型,主要用來為汽車加速提供短暫的動力,可 以儲存的能量較少,不能長期提供能量,其能量釋放時間通常持續幾秒到幾十分鐘;另一類是能量 型,可以長期提供能量,但放電速率相對較小,一般情況下放電時間設計為 1 小時甚至更長,一般 純電動汽車會用到能量型電池。

功率型電池與能量型電池的主要區別是功率/能量比,即放電倍率,

功率型電池的放電倍率可達 15C 以上,能量型電池的放電倍率不超過 2C,隨著純電動汽車帶電量日益增大,對于放電倍率的要求 會進一步放寬。這兩種需求反映在電芯層面,最顯著的區別是功率型電芯極片由于電流密度較大, 為確保結構穩定,活性層的厚度很薄,能量密度較低,成本更高。因此工業上這兩類電芯在設計方 面截然不同。

在同一類電芯內部,設計上也存在差異性。

以最普遍的能量型電芯為例,電池參數設計首先必須根 據用電設備需要及電池的特性,確定電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其他部件的參數,對工 藝參數進行優化,并將它們組成有一定規格和指標(如電壓、容量、體積和重量等)的電池組。

動 力電池設計時,必須了解用電設備具對電池性能指標及電池使用條件,一般應考慮以下幾個方面:

電池工作電壓,決定了電芯的數量與連接方式;

電池工作電流,及正常放電電流和峰值電流;

電池工作時間,包括連續放電時間、使用期限或循環壽命,與電池工作電流一起決定了電池 的容量;

電池工作環境,包括電池工作環境及環境溫度;

電池最大允許體積。

美國阿貢國家實驗室提出了一套設計原則,規則要求用戶輸入多個設計參數,例如電池電量,電池 和模組數量,以及最大功率下的目標電壓等。

此外,用戶必須輸入以下三種能量測量值之一:電池 組能量,電池容量或車輛電氣范圍,定義其中一個值將決定其他兩個值。然后,迭代過程通過改變 電池容量和電極厚度來解決用戶定義的能量參數(能量,容量或范圍)和剩余電池特性。結果是電 池,模組和電池組的尺寸,質量,體積和材料等方面的要求。

對于有容量要求的電池,在材料體系選定后,根據正極活性物質的比容量即可計算出正極活性物質 的質量,再根據正極配比(活性物質、導電劑、黏結劑的配比)和涂布量上限即可計算出這些活性 物質需要涂布在多大面積的集流體上,即求得正極總面積。隨后根據電子平衡原則和防短路要求, 電芯的負極和隔膜用量也可求得,據此可以得出整個電芯的物料用量。因此,正極材料的性能和用 量是電芯容量的決定性因素。

隨著電池系統容量的增大,電芯參數設計的差異性在降低,標準化程度日益提升,

原因在于大容量 電池系統消解了工作電壓、放電功率、連接方式等電學要求,突出了電池體積、系統成本的約束, 使得不同電池系統的差異性日益集中到電芯數量/容量方面,其他參數的差異性大為降低。另一方 面,從工業生產角度,推進電芯設計、生產的標準化程度,也是降低電池系統成本非常有效的途徑。因此,盡管電池定制化的需求仍然存在,但電池企業總體上在減少電芯規格的品類。

生產流程還原:批次與節拍工序交錯,質量控制是難點

自 1991 年索尼公司實現鋰電池商業化生產以來,鋰電池在性能與生產工藝上實現了長足的進步, 但其工作原理、產品結構及其生產流程總體上并未發生很大變化。概而言之,鋰電池電芯的制造可 以分為 3 個主要生產環節,約 15 個生產工序:

電極制片。

電極制片是將正極和負極材料涂在作為載體的金屬箔材上,再加以干燥、壓延, 該環節包括混漿、涂布、烘干、輥壓和分切等工序。

單體裝配。

將涂布好的正負極極片輪流交替鋪上隔膜,加工成一個電極堆疊,然后再將堆疊 置入到外殼中包裝好,并注入電解液。

化成、老化(續化成)和檢測 。

裝配好的單體首先使用小的電流緩慢充電,再用較大的電流 循環多次進行充電和放電,以便達到生成單體全部功能的目的,并用以記錄單體精確定義好 的各項功能。

混漿是將正負極活性材料與導電劑、粘結劑以一定比例,在溶劑中混合均勻。混漿過程對電池單體 的質量起著至關重要的決定性作用,每一組分都必須具備最高的純度,最小的剩余含水量及最大的 干燥度,并且必須以最高的精度來加料,對集流體金屬(鋁箔和銅箔)的要求也要有最高的純度 (>99.8%)。為了保證后續的涂布工藝過程能夠安全、連續地運行,混拌好的涂布物質的一些關 鍵參數如均一性和粘度系數必須精確保持在設定值范圍之內,不僅如此,混漿關鍵參數如均一性和 粘度系數的時間變化也必須考慮進來,因此混漿要求必須快速加工處理。

電極涂布的主要任務是將性能穩定、粘度適當、流動性好的漿料均勻地涂覆在銅箔(負極)或鋁箔 (正極)上。電極涂布工藝的好壞,對鋰電池的容量、一致性和安全性具有直接影響。據不完全統 計,在鋰電池失效的全部原因中,約 10%是由電極涂布工藝引起的。漿料涂布過程中必須要保證 極片厚度和單位面積拉漿重量的高精度性,使用具備極片拉片和極片張力控制最高精度的涂布機 設備是優質出品的前提條件。

極片涂布后制成的極片必須進行干燥。干燥室通過熱風對流在不同的干燥箱(懸浮帶式干燥箱、對 流抽吸式干燥箱、滾動帶式干燥箱)里實現的。干燥箱里設置的干燥溫度曲線對極片附著在金屬極 片上的附著強度以及整個極片厚度上粘合劑的分布意義重大。

電池裝配過程要完成卷繞、裝殼、封口、注液等步驟,是電芯制作的核心,對周圍環境要求極高, 如濕度要控制在 1%以內,同時,這些流程自動化程度較高,一旦參數確定出現質量問題的概率反 而相對較低。

在老化工序中,從傳送帶上運送過來的電池單體被放置到一個加熱到約 30℃的車間里存放 8~36 天不等。在老化過程的前期和后期分別測量單體的開路電壓(OCV),測得的數據可以用來計算單 體的自放電率。老化過程之后會對存放的單體做一些功能測試,比如容量測試、內阻測試和自放電 測試等。以這些測量值和事先定義好的極限值為基礎,可以再老化工序之后把單體進行容量等級的 多級分類,這個過程稱之為分容。

老化工序最大的挑戰性在于對空間場地的需求,因為存放單體需 要大量場地,導致費用大增,同時還有大量的專用托盤需求,這也帶來了額外的高額成本支出。

在上述工序中,攪拌、涂層、烘干、壓實、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序(batch), 而切片、層疊、加注電解液、封裝等工序為節拍制造工序,

這導致鋰電池的生產流程連續性較低, 自動化水平相對受限,對保持電池品質的一致性帶來了巨大挑戰。

方形卷繞電池:正極材料是降本最大來源,其他措施集腋成裘

美國 Argonne 國家實驗室建立了一個非常精細的模型以研究鋰電池成本,但研究對象是方形疊片 電池,我國鋰電池廠商多采用方形卷繞路線,因此 Batpac 的經典模型并不適用。我們借鑒其思路, 搭建了簡化的方形卷繞電芯成本模型,假設該電芯采用 622 三元正極材料和人造石墨負極材料, 其他參數假設如下:

我們將最經典的 PHEV-2 型電芯規格代入其中,電芯的長度、寬度、厚度分別為 148mm、92mm、 27mm;計算得到該電芯的容量約 51Ah,質量能量密度為 216Wh/kg,體積能量密度為 512Wh/L, 與實際數字吻合度較好。電芯的各組成部分以及重量組成如下:

該電芯中,正極活性材料的重量占比僅有 37.3%,箔材、電極以及封裝殼體的重量占比則超過 20%;在成本構成上,正極材料的占比則達到 43.5%,物料成本中的占比高達 55.6%。由于正極活性材 料是電池容量的決定性因素,因此技術上降低電芯成本的主要方式是提升正極材料的重量占比。實 際上,在過去 20 年里,鋰離子電池的能量密度每年穩步增長 3%,主要依賴于增加活性物質比例 技術方面的進步。

對成本模型中的主要參數進行敏感性分析,對成本影響最大的因素是正極材料的性能和價格,負極 性能和價格影響位居其次,但彈性系數已相差較遠,此外,降低非活性材料的各項措施(提升活性 材料面密度、降低載體厚度、增大電芯尺寸等)盡管單項影響都不大,但累計起來降本效應也不容 小視。

對于鋰電池而言,單純提高正極材料 1 倍的儲鋰容量,在平均電位不下降的前提下,提高鋰電池的 質量能量密度最大約為 40%;提高負極材料 1 倍的儲鋰容量,提高電池的質量能量密度最大約為 20%。由于電極儲鋰容量提高一般伴隨著體積變化,單純通過提高電極材料的儲鋰容量來提高電池 的體積能量密度,應該很難超過 40%。疊加工藝方面的進步,在現有體系不發生根本變化的前提 下,鋰電池單體的能量密度達到 300Wh/kg 時可能會遭遇瓶頸。

降本之路知易行難,技術能力是核心驅動

電池的主要材料價格在 2018 年之后降幅已明顯趨緩,這意味著電芯單體的 BOM 成本下降將進入 瓶頸期。在此背景下,提高單體的儲能能力—即提升電池能量密度—以攤薄單位容量成本是電池廠 商的內在需求。能量密度提升的本質,是在確保安全的前提下,在一定空間內(外包裝)將活性材 料的重量/體積占比不斷提升,并升級活性材料的比容量。

能量密度提升有如下路徑,一是采用高比容量的活性材料,即正極高鎳化和負極用硅碳材料;二是 優化工藝提高活性材料的重量占比,包括提升面密度、壓實密度、卷繞改疊片、降低銅箔、鋁箔、 隔膜等材料的厚度;三是提高電芯尺寸,挖掘規模效應。此外,在系統層面上還可以改進成組技術, 降低模組、PACK 等封裝成本。

材料:在比容量與安全性之間走鋼絲

高鎳正極:只有龍頭能駕馭的降本利器。

從敏感性分析結果來看,提升正極材料的比容量是降低成本極為有效的途徑。在材料層面,高比容 量的正極材料包括高鎳三元和富鋰材料,其中高鎳三元材料已經取得了一定進展。

高鎳化至少能帶來兩方面好處,一是降低鈷資源的用量,減輕上游資源價格波動帶來的價格波動,

NCM811 相比NCM523 的鈷含量由12。21%降至 6。06%,折算到動力電池每kwh 用鈷量從0。22kg 降至 0。09kg,因此在鈷價越高時,NCM811 的材料成本優勢將越明顯。例如,在金屬鈷 20 美元/ 磅時,高鎳三元材料單位容量成本低 8%;在金屬鈷 30 美元/磅時,高鎳三元材料單位容量成本低 12%;二是提升能量密度,降低電池每 Wh 成本,2015 年以來三元材料從 333 過渡到 622,比容 量從 150mAh/g 提升至 170mAh/g 以上,電芯能量密度則從 180Wh/kg 提升至 260Wh/kg。目前廣 受關注的 811 系材料已經開始使用,Ni 含量更高的材料也在研發之中,可以說高鎳化是材料發展 不可動搖的趨勢。

我們的模型測試結果表明,在其他條件不變的情況下,正極比容量從180mAh/g提升至200mAh/g, 電芯的能量密度從 218Wh/kg 提升至 232Wh/kg,增幅近 7%;物料成本則從 0.419 元/Wh 降至 0.386元/Wh,降幅近8%;如若比容量進一步提升至210mAh/g,則電芯能量密度提升至239Wh/kg, 成本進一步降至 0.372 元/Wh。

因此,對于電池企業來說,高鎳化是降低電芯成本無法回避的路徑。

另一方面,高鎳化帶來的技術挑戰仍待攻克:

首次循環效率下降;熱穩定性下降。

由于 Ni2+半徑(0.069 nm)與 Li+半徑(0.076 nm)較為 接近,在制備過程中容易導致鋰鎳陽離子混排,進入鎳空位的鋰在循環過程中難以脫嵌,導 致電池的首次庫侖效率不夠理想,并容易造成材料結構坍塌,由層狀結構向尖晶石結構或 NiO 型巖鹽相轉變,從而導致容量衰減、循環性能和熱穩定性降低。

由于 Ni4+具有還原性,容易生成 Ni3+,為了保持電荷平衡,材料中會釋放出氧氣,導致材料 結構被破壞

。副反應影響安全,材料表面的雜質在存儲環境中的水份及氧氣的作用下會與電 解液發生反應,生成 Li2CO3 和 LiOH 等物質, 從而在電極材料表面形成一種絕緣層,阻礙 Li+的擴散和電子的傳輸。

壓實密度下降,目前三元電池極片的壓實密度可以達到 3。3~3。6g/cm3,而高鎳材料是一次顆 粒團聚而成的二次球形顆粒, 由于二次顆粒在較高壓實密度下會破碎,對煅燒時的氣氛要求 很高,壓實密度目前很難突破 3。3g/cm3,從而限制正極活性材料比例的提升。

高鎳材料表面的碳酸鋰和氫氧化鋰雜質不易控制,雜質容易超標,這些殘留鋰化合物主要是 Li2O、LiOH·H2O、Li2CO3等堿性物質,殘留物越多,材料表面的 PH 值越大。堿性物質在 空氣中容易吸潮,導致材料表面和水反應,或使材料在調漿時黏度變大,或者將多余的水分 帶入電池中,造成電池性能下降。調漿黏度變大的原因是黏結劑 PVDF 團聚,使正極漿料黏 度變大難以過篩,情況嚴重時漿料變果凍狀,成為廢料。

正極材料生產條件苛刻,成本上升 8 系以上的三元材料較之前的 5 系、6 系理化性質出現了 很大變化,導致高鎳正極在原材料合成、工藝裝備(不易混合、需要二次煅燒及水洗等)、環 境控制(全程濕度低于 10%)、環保(氨水濃度大、氫氧化鋰刺激氣味大)等方面都不得不 面對更多的困難,因此盡管理論上高鎳材料可以使原材料成本下降 6-8%,但目前高鎳正極市 場價格較 5 系高出近 40%。

因此,高鎳材料的商業化應用并非簡單更換活性材料,而是要解決隨之而來的材料、電池設計以及 循環特性方面所帶來的一系列負面問題,這導致了高鎳推廣困難重重,迄今為止批量供應高鎳電 池的企業僅有兩家,其中松下自 2017 年起向特斯拉供應 NCA 高鎳電芯,寧德時代自 2019 年下 半年起增加 NCM811 高鎳電芯,其他諸如 LG、三星、SKI 等一線國際企業一再推遲高鎳電池的批 量供貨,二線企業在高鎳化之路上則落后更遠。

硅負極:極具性價比的降本良方

前述的成本敏感性分析表明,改善負極性能也是降低電芯制造成本的有效途徑。目前商業化的鋰電 池主要以石墨為負極材料,石墨的理論比容量為 372mAh·/g,而市場上的高端石墨材料已經可以 達到 360~365mAh·/g,因此基于石墨負極的鋰電池能量密度優化空間相對有限。

在此背景下,硅基負極材料因其較高的理論比容量(高溫 4200 mAh·/g,室溫 3580 mAh·/g)、低 的脫鋰電位(<0.5 V)、環境友好、儲量豐富、成本較低等優勢而被認為是極具潛力的下一代高能 量密度鋰離子電池負極材料。

然而,由于硅負極材料在充放電過程中存在巨大的體積變化(320%),導致納米硅顆粒與電極極 片的機械穩定性變差、活性顆粒之間相互的接觸不好、以及表面 SEI 鈍化膜的穩定性降低,嚴重影 響電池壽命;硅的膨脹會在電池內部去產生巨大的應力,這種應力會對極片造成擠壓,從而出現極 片斷裂;還會造成電池內部孔隙率降低,促使金屬鋰析出,影響電池的安全性。

因此目前硅負極主要通過與石墨負極材料復合使用,解決體積膨脹的問題可以通過控制碳材料中 硅的含量、減小硅體積到納米級;或改變石墨質地、形態,實現碳和硅的最佳匹配;或者采用其他 物質對硅進行包覆,促進膨脹后的復原;還可以采用更適宜的電極材料等一系列方法來減少硅膨脹 帶來的諸多問題。

實踐證實,要想取得比較理想的電化學性能,復合材料中的硅顆粒粒徑不能超過 200-300nm。但 是在比表面、粒徑分布、雜質以及表面鈍化層厚度等關鍵指標技術壁壘都很高,國內廠家目前還達 不到,而外購納米硅粉成本極高,導致硅碳負極的價格較石墨類產品高出 1 倍左右。

現在行業用硅普遍在8%-10%。據測算,采用硅負極材料的鋰離子電池的質量能量密度可以提升8% 以上,體積能量密度可以提升 10%以上,同時每千瓦時電池的成本可以下降至少 3%,因此硅負極 材料將具有非常廣闊的應用前景。同時,

與高鎳推廣面臨的問題類似,硅碳負極的應用條件更加嚴 苛,同時以硅碳材料為負極的電池負極片壓實密度和首次效率都會下降,

導致多數電池廠家只能望 洋興嘆,我國目前硅碳負極的出貨量占比還不足 1%。主要電池廠家中松下的步伐較早,供給特斯 拉的高比能量電池即采用硅碳負極,其他電池企業尚無大批量供貨的記錄。國內負極龍頭貝特瑞和 江西紫宸已有不同規格的硅碳負極產品,預計未來幾年有望逐漸推廣。

設計:螺獅殼里做道場,工藝優化無止境

一顆鋰電池容量由正極材料多寡決定,提升能量密度除了采用高比容量的材料之外,另一路徑是在 有限的空間內裝入更多的活性材料,即提升電芯內部的填充度。根據我們搭建的模型測算,

PHEV2 型電芯內部填充度約為 82%,填充不完全在橫向和縱向上都有原因。

橫截面上,在電池設計中,通常采用群裕度這個概念來表征電芯的空間填充度。群裕度是指電池實 際內部橫截面積與最大內部截面積的比例,即,將電芯橫向切開,其中卷繞式電芯中各種物質的截 面積與電池殼體內徑包含的面積的比值,可以表征卷繞式電芯的入殼的困難程度、電芯充電膨脹后 對殼體的壓力等。

縱向的不完全填充主要來自頂層集流體、絕緣層等內伸的部件需要占據的空間,一般為頂蓋的內側 部件留出 5mm 空間,此外,為防止極片短路,寬度方面隔膜>負極>正極,涂布時正極材料比隔膜 少 4mm 左右,這進一步降低了正極材料的用量。

此外,目前方形電池的裝配多選用卷繞工藝,卷芯成型后彎曲的部位難以避免留下空隙,這進一步 降低了內部空間的填充率。

因此,改善空間利用率也多從如下途徑實現,一是選用疊片裝配工藝, 二是減少非活性材料的體積占比,三是增大電芯內部尺寸攤薄非填充空間的比例。

卷繞改疊片:有效提升群裕度,生產效率是主要阻礙

目前的方形電池多數采用卷繞工藝裝配電芯,卷繞工藝非常成熟,成本也相對較低,但卷繞工藝裝 配的電芯對內部空間利用率不足,從而限制了電池能量密度的提高和成本的下降。我們模型測算的 結果表明,卷繞電池空間利用率僅有 82。3%,偏低主要源于三個方面,一是縱向上為頂蓋和極柱焊 接留出空間,一般為 5mm 左右,對 PHEV-2 型電池影響空間利用率約 6。2%;二是橫向上由于卷 繞電芯易膨脹,按照群裕度第二重定義,一般設計為群裕度 93%左右,為卷芯厚度增加留出彈性 空間;三是卷芯兩側邊緣位置存在較大曲率,也造成了空間浪費,我們模型測算結果顯示曲度部分 影響填充率約 5。7%。此外,在充放電的過程中,卷芯彎曲部位易變形和扭曲,會導致電池性能下 降,甚至有安全隱患。

和卷繞工藝相比,疊片工藝具備天然的優勢。疊片式極組呈長方形,幾乎可以充滿方形殼體空間;而卷繞式極組呈橢圓形,必然造成殼體四角的空間浪費。另外,卷繞式極組長時間使用后容易扭曲, 兩側圓弧處斷裂造成內部短路。未來方形電池做大做長,電池管理更加簡易高效,可以更好地適應 電動汽車模塊化生產,這也是圓柱電池所不具備的優勢。

在產品性能方面,根據蜂巢能源披露的信息,疊片工藝生產的方形電池優勢明顯:因為極組有更好 的結構適應性,電池變形和膨脹的幾率大幅下降;邊緣結構更簡單,電池安全性更高;能量密度可 以相應提高 5%;循環壽命提升 10%-20%;內阻更低,可以實現更高倍率放電;電池的規格更加 靈活,一致性更佳。

我們的模型測算結果表明,在同等規格尺寸下,采用疊片技術之后,按照群裕度第一重定義,設計 值可達 96%左右,較卷繞提高 8 個百分點,從而使得能量密度提高 12%,電芯每 Wh 物料成本下 降近 10%。

盡管疊片工藝潛在優勢明顯,但當前仍然面臨諸多需要克服的問題,包括更高的工藝門檻和生產成 本等,其中最大的難題是生產效率。日韓廠商曾經攻關疊片工藝,但是生產效率提升始終無法取得 實質上的突破。當下卷繞機的水平,可實現線速度 3m/s,張力波動控制±5%,對齊精度為±2mm, 整機合格率≥99%,時間稼動率≥98%,故障率≤1%,疊片機水平目前是電芯整體對齊精度±0.5mm, 產品合格率≥99.5%,時間稼動率≥98%,故障率≤1%,疊片效率(五工位)在 4 片/s,與卷繞效率 相差較遠。據測算,在電芯尺寸較小的情況下,只有單工位效率提升到 0.2 秒/片左右時,疊片工藝 才可能與卷繞工藝成本相當。

另外,疊片工藝需要將每個極片進行兩次分切,一個電芯則涉及到數十次分切,而卷繞工藝每個電 芯只需要進行正負極各一次分切。每次分切都存在極片的截面產生毛刺的風險,這就增加了電池質 量控制的難度。正是因為受制于這兩個主要的短板,疊片工藝的滲透率還有待突破。但總體而言, 效率與分切的問題并非不能克服,

目前主流電池廠中,除了 LG 一直采用疊片和軟包路線之外,寧 德時代、比亞迪也紛紛布局該路線,三星 SDI 于近日宣布在匈牙利的新產線將采用疊片工藝,我 們預計未來幾年內疊片有望取代卷繞成為電芯的主流生產工藝。

大尺寸電芯:提效降本一舉多得,工藝水準決定成果

增大單體電芯容量是降低電池生產成本的重要手段。大容量電芯一方面通過優化設計調整材料結 構,降低單位電量所使用材料,另外一方面通過提高單片電芯電量,有利于降低生產損耗。由于電 芯為模組和電池包的主要材料投入,大容量電芯帶來的單位材料成本下降也帶動模組和電池包材 料成本的下降。以特斯拉的電池系統為例,2019 年起特斯拉采用松下的 21700 圓柱電芯代替使用 了 5 年之久的 18650 電芯,切換之后,電池單體電池容量可以達到 3~4。8Ah,大幅提升 35%,電 芯能量密度則從 250Wh/kg 提升 20%至 300Wh/kg,生產成本降幅達 9%以上。

具體而言,大電芯的第一個優勢是提升了活性材料的重量比例,從而提升電芯的能量密度,降低電 芯生產成本。我們的模型測算結果表明,方形卷繞電芯厚度從 27mm 增加至 79mm 時,由于非活 性物質用量被攤薄,正極材料在電芯總重量的占比從 37。6%提升至 39。4%,其質量能量密度從 218Wh/kg 增加至 229Wh/kg,增幅達 5%,電芯綜合成本從 0。54 元/Wh降至 0。506 元/Wh,降幅 約 7%。

[文章糾錯]

文章網友提供,僅供學習參考,版權為原作者所有,如侵犯到

你的權益請聯系qchjl_admin@126。com,我們會及時處理。

會員評價:

0 發表評論

|小黑屋|手機版|Archiver|汽車工程師之家★汽車技術交流學習網★車輛設計論壇 ( )

GMT+8, 10-4-2020 02:14 , Processed in 0。151259 second(s), 23 queries 。

Powered by X3.2

© 2001-2013

万博棋牌游戏 竞技竞猜下注 188体育官方网址 体育盘口 幸运老虎机