本次車展,動力電池可謂是好戲連臺,精彩紛呈,國內超過8家電池廠商參加車展并帶來了新的產品和技術,這在之前車展和展會上是見的比較少的。
(資料圖片僅供參考)
其中有基于電池正負極,隔膜電解質等材料創新的凝聚態電池,鈉離子電池,硅材料電池等。但比較有意思的是本次參展的電池供應商將近一半都推出了46系大圓柱電池。
熟悉電池的人都知道,動力電池主要分:
Cylindrical圓柱形電池(是最便宜的格式,縱觀整個電子行業,)
Prismatic棱柱形電池(最常見的汽車電池形式,因為它們可以密集包裝并節省成本)
Pouch軟包電池(最有效的空間利用)
其中軟包電池以其密封的柔性箔作為容器,以具有更輕的結構而聞名,所以能量密度比高,不少歐美電車一直使用,但是由于制造難度大,成本高,而且在熱失控方面更加難以控制。所以國內寧德時代等巨頭一直推的是棱柱形電池,如果看統計數據汽車動力電池基本上是棱柱形電池的天下。
但是隨著特斯拉在兩年前宣布采用4680系列大圓柱,46系列大圓柱電池可以實現高性能(充電和續航高性能),高安全(熱失效)而且在技術突破之后還有很高的制造效率。所以接下來寶馬汽車也將采用4695,有消息表示通用汽車也將采用46系列大圓柱電池,他和三星SDI在美國建的電池廠,很可能就是生產46系列大圓柱電池。
而這次上海車展上看到國內超過4家電池廠商推出46系列大圓柱電池,其實可以察覺46系列大圓柱將大面積上量,國內供應鏈崛起。
圓柱電池的型號有14650、18650、21700、32650、4680(以電池的標準化尺寸命名,如4680圓柱電芯為直徑46mm x 高80mm)。18650代表最成熟的技術,SONY于1992年研發,特斯拉汽車電池最早開始就是使用18650 三元鋰電池,特斯拉的開始車型Roadster 和 Model S一臺車大概就使用6,000-9,000 節14650電池。直到2017年,特斯拉與松下共同研發了更大的 21700 圓柱電池,并將其首次Model 3 上,采用 NCA+硅碳方案,單體容量較18650 電池提升約 35%,并一直到現在是特斯拉汽車應用最廣泛的電池電芯。
圓柱電池優點:
易于制造和良好的機械穩定性。圓柱結構可以承受高內部壓力而不變形,圓柱形電池比方形電池具有更好的散熱性。
圓柱形電池每安培小時有更多的連接,這意味著比方形電池更多的功率和更快的放電速度。圓柱形電池非常適合高性能應用,棱柱形電池更適合優化能源效率。
從制造角度來看,圓柱電池和生活當中瓶子類似,看過特斯拉的4680系列制造流水線視頻,圓柱形產品可以極大減少制造中異形和不規則運動,從而可以節省制造人力時間成本。
圓柱電池的問題:
但是傳統的小圓柱電池,例如特斯拉汽車電池最早開始就是使用18650 三元鋰電池,Model S中就有6,000-9,000 節小圓柱電池,由于相對于軟包和棱柱形電池來講有更多的單體圓柱,那么問題就來了:
每個小圓柱都有鐵或者鋁的外殼,顯然能量比高不了。
另外達幾千個小圓柱電池焊接如何確保結構
多達幾千個小圓柱電池如何確保充放電的軟件管理?
所以,小圓柱電池在國內環境應用生態難,但是轉機出現在電動車教父特斯拉喊出的4680大圓柱電池。
從小圓柱到46系大圓柱,同樣的電池包容量,可以減少電池,減少數量意味著可以節省30-40% 的電池組外殼鋼材。還意味著減少電池連接,減少電芯意味著 4680 格式只需要 1,800 個連接,而 2170 格式需要超過 8,800 個連接。
4680 電池最大的創新是新增無極耳技術,又稱全極耳技術,通過縮短電子移動路徑、擴大散熱面積,改善 了單體電芯增大帶來的熱量增加問題,突破了電池的快充瓶頸。
電池極耳(或端子)是承載電池電流的正極 (+) 和負極 (-) 連接器,隨著電池容量越來越大,電子需要移動更長的距離,從極耳移動,當極耳少而且相對電阻大的時候,電子就會升溫而失去能量。通過增加極耳對使電子行進的路徑更短,這意味著電池充電和放電更快。更快的放電意味著更好的功率性能。充電和放電產生的熱量更少,意味著能源效率更高。也不需要額外的組件進行冷卻。
在 Tesla 4680 電池中,tabless 設計應該更好地描述為具有許多極耳的電池,圖中每個折疊的引腳代表 1 個極耳。電極的整個邊緣(如圖中的橫截面所示)負責傳熱和電流傳輸,而不是單個接片。由于這種無表設計,電子行進的最大距離是電極的直徑而不是高度。
但極耳到母線連接的核心工藝,激光焊接工藝要求高,是目前技術的難點,但顯然這次車展情況,可知國內已經有此類問題解決的供應鏈。
特斯拉設計 4680 電池時,創新引入了干電極技術,具體過程為不使用溶劑,直接將少量(約 5-8%) 細粉狀 PTFE 粘合劑與正/負極粉末混合,通過擠壓機形成薄的電極材料帶,再將電極材料 帶層壓到金屬箔集
電體上形成成品電極,化簡了濕法中的漿制、涂布烘干和溶劑回收過程, 極大提高了極片制備的效率,并節約了制作成本。
目前圓柱電池基本都朝著這些路徑進發,所以本次車展46系列大圓柱電池的展示很多預示著46系列國內產品技術供應鏈崛起,46系列大電池將會在接下來幾年迅速上量。
參考文章以及圖片
*未經準許嚴禁轉載和摘錄-獲取參考資料方式:
4680大圓柱電池將帶來哪些設備投資機會?中航證券
Dry Process - Deep Dive -TECHtricity
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Intoduction, History, Types and Application of Lithium ION Battery (A Review) Ajmal Shariff1#, Salman Khan2#, Arshad Ahmed1, D. M. Srinivasa1, Asha M. S3 and Zabiulla3*
鋰電新技術:大圓柱雖遲但到,產業鏈或乘風起 - 天風證券