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新工艺、新技术、新材料,动力电池进入 “叠时代”,看蜂巢能源
智电汽车 1216浏览 2019-07-16

文丨孙凯

在新能源汽车蓬勃发展的同时,我们也不得不重视新能源汽车用电安全。用中国科学院院士杨裕生在首届《中国国际电动汽车安全技术创新大会》上的话来说:这个事情不是在今天今年引起重视,早就应该引起重视,因为失火的事情在前几年已经很严重了。

2017年以前纯电动车烧了十几辆,2018年国外自燃的情况也在继续发生。保时捷在泰国充电时起火,宝马在西班牙无故自燃,用的都是日本有名公司的电池,电池质量在业内应该还是比较好的。2018年特斯拉继续发生燃烧事件,频率是一个月一起,撞墙起火、充电起火、无故自燃等各种各样原因,但最后都和电池有密切的关系。

而狂人马斯克所说电动车自燃率远低于燃油汽车其实并不正确,即使进入到2019年,自燃势头并不减,除了国际队代表特斯拉,中国品牌也频繁发生安全事故。

追究其安全事故的本身,脱不开关系的始终是电池占据大头。

一、告别卷时代,动力电池将迎来3.0“叠时代”

自从上世纪80年代锂电池诞生以来,这种体积小、重量轻的电池迅速得到人们的青睐,并应用到各种消费类产品上,我们提升了生产力、方便了办公,并且让人们的交流更加的便捷。随着产量的不断攀升,电池厂对生产设备也投入了巨大的精力。

如果要概括锂电池的发展历程,可以理解它经历了1.0的3C品质时代和2.0的传统动力电池时代,他们有一个共同点,就是均采用卷绕工艺。

而随着工艺标准越来越严格,消费者对产品的要求越来越高,传统卷绕工艺电池发展已经到了瓶颈,这时候行业意识到,如果没有划时代的变革,这种基于卷绕工艺的电池,很难满足时代进步需求。

因此,叠片电池横空出世。

7月9日,蜂巢能源在河北保定召开主题为“领创叠时代 守护芯安全”品牌战略规划及产品发布会,所推出的新品均为高速叠片工艺电池。

叠片工艺电池相比起卷绕工艺电池,可以在所有其他体系不变的情况下,仅仅叠片这一项工艺改变就会带来五大优势。

这五大优势就是它更符合纯电动汽车对大模组、大电池的需求,也更符合车辆对电池超长使用寿命的需求,更符合移动交通工具对轻量化、长续航的追求,更符合车辆对电池瞬间大功率输出的需求,更符合车辆对长期安全性和稳定性的需求。

安全丨更符合车辆对电池长期的安全性和稳定性的要求

不管设计也好,还是对标也好,这一切都是以安全为前提,既然叠片工艺电池能称之为3.0叠时代,那么在安全方面自然也是要比2.0的传统动力电池时代更优,否则如何称之为进化?

卷绕工艺的方形电池,在充放电循环过程中由于随着膨胀力的增大,在卷绕拐角处内应力受束缚而无法释放,导致拐角处发生断裂,断裂导致脱粉、毛刺等问题,严重时会造成电池内部短路,引起热失控,电池危险系数将增高。

相比起来,叠片工艺使用陶瓷涂布覆盖仅有的极耳位置裸露集流体,风险更低,且叠片电池不存在拐角处受力不均匀的问题,这会大大降低电池在循环过程中由于受力不均而导致的电池安全风险问题。

在实际使用中,电动汽车发生自燃除了内部短路,还有就是过充或者挤压造成。过充引起自燃冒烟很大程度上是因为电池内部升温过高,叠片电芯温升要远低于卷绕电芯,在蜂巢能源内部对标中,采用叠片工艺生产的蜂巢电芯最高温升45℃,而采用卷绕工艺生产的对标品牌电芯最高温升达到了380℃。

车辆碰撞过程中造成很大的挤压,企业标准对车辆挤压远远高于国标,蜂巢能源叠片工艺电芯大面可承受200KN的挤压力,变形量为15%;侧面可承受20%的变形,顶部可承受25%的挤压变形,这个数据远远好于目前市场上常用卷绕工艺电池。

续航丨更符合移动交通工具对轻量化,长续航的永恒追求

卷绕电池在卷绕拐角顶部有弧度,在空间利用率上要低于叠片电池,而叠片电池结构充分利用电池边角空间,在相同体积的电芯设计情况下,电芯能量密度高出约5%左右。也就好比,同样一个方形盒子,放进一个卷绕形式的卷纸和一叠整整齐齐的抽纸,谁更充实?

寿命丨叠片电池符合更超常电池使用寿命的需求

在电池寿命方面,仅把卷绕工艺换成叠片工艺,电池寿命就可以提升10%,这是一个非常大的提升,直接影响到电池日常使用的衰减问题,这意味着叠片电池衰减相比卷绕电池更慢。

在同一设计体系下,手工艺限制,叠片电池的极耳数较卷绕电池的多近一倍,其电池内阻就会小于10%以上,电池产热小,电池寿命相对长于卷绕电池,叠片电池循环后期的界面稳定性优于卷绕电池。

卷绕电池由于其结构没有叠片电池的结构稳定,变形和膨胀更严重,会影响电池衰减性能。而同等设计条件下叠片电池的循环寿命高于卷绕电池10%左右,循环膨胀预计低40%以上。

输出丨更符合车辆对电池瞬间大功率输出的要求

都在说纯电动汽车的加速很好,原本内燃机车型只有上百万的超级跑车才能跑进4秒,现在10几万的纯电动汽车就可以达到。实际上搭载叠片工艺电池的车型加速性能会更好,当我们测试一辆汽车瞬间加速或者爬坡能力时,其实需要大电流的输出,正常车开着有没劲也是考验电池的输出能力。

叠片电池比卷绕电池极耳增加一倍,因此输出能力非常好,蜂巢能源对WEY P8车型做过夏季和冬季的标底,电池换成蜂巢能源生产51Ah叠片电池,在低电量20%的情况下,加速时间提高0.85s。特别是在零下-10℃的时候,可以使百公里加速时间提高0.54秒。

强大的持续放电能力,使得这款电池现在竞争力非常强,据蜂巢能源透露,有很多主机厂很满意,并且正在注册方案准备实车试验。

尺寸丨更符合纯电底盘优化对大模组、大尺寸的电池的要求

更大尺寸的电池一方面可以增加整车带电量,达到更长续航的目的,但是大尺寸电池也给整车的安全带来不确定性。在未来的纯电动汽车发展过程中,不仅需要长续航更需要高安全,因此对电池的尺寸要求极高。从图中,我们可以看出,当纯电动汽车发生碰撞时只有中间的一块细长区域是最安全的。

这种放在安全区域内,催生了对大模组、大尺寸的需求,看到市场上有的常见VDA尺寸的变芯,已经达到卷绕电池的极限。当电池进一步变长,高度在乘用车上一般有更大的变化,随着这个电池越来越长,卷绕工艺实现也将会越来越困难,就需要更宽、更长的极片,在生产的时候面临诸多不确定性,这时候叠片电池就能发挥最大的优势。

二、高速叠片工艺效率低,蜂巢能源率先量产

安全、续航、输出、寿命、尺寸多方面全面占有优势,毫无疑问叠片电池未来将成为新能源汽车动力电池的主流,所以目前包括松下、三星SDI、CATL等行业头部企业都有在2022年之后导入叠片工艺的计划。

一个必须正视的现实是,尽管叠片工艺对于动力电池性能的提升优势明显,但摆在产业链企业面前的现实问题是,受制于设备、工艺、制造、效率等的瓶颈,叠片工艺在实际的产业化应用中还面临着诸多难题,这也成为动力电池行业发展过程中的阻碍。

针对此痛点,蜂巢能源聘请了国内外资深叠片设备与工艺专家,在该领域进行了持续的投入和攻关,目前已完成行业首例45度旋转式高速叠片的开发与导入,叠片效率可达0.6s/pcs/单工位,叠片效率超出行业传统叠片设备单工位效率的40%,辅助时间从原来的10秒缩短到7.5秒。

同时,蜂巢叠片设备开发技术团队也在联合国内外优秀叠片设备供应商,研发更高速叠片设备,截至现在,已完成0.45s/pcs/单工位叠片速度验证与样机的开发制作, 2023年预计可实现0.25s/pcs/单工位叠片设备开发。

通过工艺技术的升级,生产过程的高要求,生产工艺过程的严格控制,蜂巢能源让叠片技术效率已经不再成为瓶颈,让高速叠片工艺的率先量产变成了现实。

三、引领动力电池3.0“叠时代”,AI工厂赋能智能制造

动力电池“叠时代”的全面开启,对于生产制造的效率提升、环境控制、制程控制提出严格要求,这也倒逼行业需要加快通过智能制造以及工业互联网的深度融合来赋能动力电池制造。因此,AI工厂这一未来工厂也随之而来。在规划中,蜂巢能源全球六大生产制造基地将全面导入AI工厂建设规划。

在产能规划上,蜂巢能源位于常州金坛的项目一期规划产能4GWh,预计2019年10月份量产,二期项目规划8GWh,同时还和捷威动力合资在盐城规划建设3GWh的软包电池项目。而欧洲工厂园区总用地400亩(27公顷),厂房采取多层结构,项目分二期实施,一期建设2020年度启动,2022年度建成投产。

叠片的性能优势已经是行业共识,随着设备技术路线升级,基于叠片工艺的电池价格将会持续下降,在以蜂巢能源为代表的企业的助推下,动力电池行业“叠时代”将全面开启。

 
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