全球動力電池市場競爭風起云涌,處于競爭中心的無疑是吸引眾多頭部車企競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、寧德時代、億緯鋰能等國產勁旅都先后官宣正在進行4680為代表的大圓柱電池的原型開發和生產制造。
憑借成熟的材料體系、可靠的形狀設計和創新的結構和工藝,全極耳大圓柱電池被行業普遍認為是“下一代電池主流產品”、“新能源汽車滲透率的突破口”、“性能六邊形選手”。然而,車輛開發和原型驗證周期較長,對于車企而言,電池技術路線的選擇決定了自己能否在幾年后的競爭中不落人后。在規模化和量產應用來臨之前,全極耳大圓柱電池的性能優勢究竟如何,應用于整車又將帶來怎樣的表現,都是備受關注的焦點。
12分鐘超級快充獲權威期刊驗證
緩解里程焦慮是提升新能源汽車滲透率的核心,快充性能也因此成為了動力電池的性能突破口。近日,一篇發表于國際頂級能源類期刊《Journal of Power Sources》的學術論文引起了業內關注,這篇文章首次采用了真實商業化的全極耳大圓柱電池,驗證了12分鐘超級快充的可能性,全面展示了開發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自國內圓柱電池技術的佼佼者,在國內率先發布4680電芯的比克電池。
文章中,作者基于對真實電芯的數據采集,建立了精準的電芯熱-電-電化學耦合的數字模型,在-20°C到60°C的寬環境范圍內都可以和電芯的實測數據匹配。通過模擬計算和實驗驗證,文章探究了幾種條件下電芯的最優化充電時間和熱管理策略,驗證了在電芯不發生析鋰的前提下:在20°C環境下,可11分53秒內將電池從10%充到80%;在零下20°C環境下,可將10%-80%的快充時間優化到15分58秒的水平,為行業提供了全極耳大圓柱電池12分鐘內超級快充性能的展望。
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成如此“極致”的快充表現的呢?鋰電池的快充性能在表象上,依托于創新的電芯設計及材料設計,但本質上還是取決于體系的能量密度,因為更短的充電時間與更高的能量密度總體上是個相互取舍的關系,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快充的最佳載體。目前幾種主流形態中,圓柱電池是安全性最高的,這主要由其單體和電池包結構特性決定的,單體最小,有效分散風險;單獨外殼保護和獨立泄壓裝置,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稱特性使其可以有效束縛內部極片的膨脹,使整個生命周期內電芯的外形都不發生改變,這些使其可以支持更高能量密度的化學體系,例如高鎳三元正極、硅碳負極等在方形和軟包等平行極片結構的電芯上很難實現應用的體系。
憑借圓柱結構,通過搭載高鎳正極、硅負極、摻硅補鋰等先進技術,能量密度可大大提升,根據比克電池此前的報道,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86%的第三代硅基負極,可為整車提供800公里以上的續航里程,這一數字伴隨著產業化和市場化落地,還會持續提升。
圖為比克全極耳大圓柱電池結構示意
創新全極耳設計為超級快充插上翅膀
在保障高安全和足夠的續航里程的基礎上,全極耳電池的超級快充才能真正助力電動車使用體驗媲美燃油車。比克的全極耳技術與特斯拉的無極耳技術有所不同,但底層邏輯相通,都是沒有在極片上額外焊接金屬片作為極耳來匯集電流,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匯集電流,通過對結構件的優化設計,及生產設備和工裝夾具的配合,實現了比傳統圓柱電芯還要高效的工藝解決方案。經測試,采用全極耳的電芯,比同體系傳統單極耳電芯的內阻降低了70%以上,這意味著極高的功率輸入(充電)及輸出(放電)。
根據比克電池的公開數據,在全極耳技術、先進化學體系和電芯設計能力的加持下,比克即將量產的大圓柱產品,可以實現5分鐘內將電量從10%-50%,相當于200-300 Km續航里程,12分鐘內將電量從10%充至80%,相當于520公里續航里程,同時支持高速服務站等應用場景下4C以上充電倍率的超級快充需求,與現在的燃油車加油體驗幾乎一致。這個數據在前述學術論文中也得到了實驗數據的驗證。
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勢,也是其備受追捧,未來可期的關鍵。在單體層面,華泰證券分析師凌岳斌就曾在采訪中表示,4680圓柱電池的制造成本比2170圓柱電池成本要低17%左右,生產速度最高可提升7倍。系統層面,全極耳的設計使得電芯單體熱量分布均勻,對整包熱管理的散熱設計要求更低,從而有效降低了整體重量,制造成本也會相應減少;另一方面,圓柱電池的尺寸越大,整包的單體數量就越少,BMS也會相對簡化,無形中成本大幅度下降,如果采用CTP、CTC等創新技術,成組的效率會進一步提高。此外,圓柱電芯高度標準化的結構設計,使得車廠在平臺開發和迭代時,結構設計等可以通用,成本急劇降低。例如高中低端的車型平臺可以僅僅替換電芯的化學體系,并相應調整BMS軟件策略,而其他機械設計則可大部分通用。
結語
去年至今,松下、LG、比克電池、寧德時代、億緯鋰能等國內外眾多動力電池廠商,從躍躍欲試到搶跑占位,從技術突破到產能布局,不斷涌入全極耳大圓柱電池這條新賽道。
市場競爭風云變幻,站在車企的角度,對全極耳大圓柱的布局無疑是押注未來幾年的重要選擇。布局大圓柱的車企第一梯隊已進入量產前夜,商業化電芯的優越性能得到驗證無疑是量產前夜的一劑強心劑。可以預見,站在動力電池需求金字塔頂端的全極耳大圓柱電池即將以可觀的前景為全面電動化提供新活力。
