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比克樊文光:大圆柱电池是未来中高端电动车最优解

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网易汽车3月27日报道 4680大圆柱电池的时代正加速到来。

一个月前,特斯拉CEO马斯克表示,特斯拉已在加州的试点工厂生产了100万块4680电池,第一批装有4680电池组的Model Y参数图片)很可能在本季度末交付。

特斯拉4680大圆柱电池的装车,意味着其良品率已经迈上了新台阶,已经可以满足规模化生产制造,这对于全球新能源汽车产业意义重大。

4680电池很多人并不陌生,最早由特斯拉在两年前的电池日上发布。简单的说,这个电池就是电芯直径为46mm,高度80mm的圆柱形电池,通常也被称为大圆柱电池。

按照特斯拉的数据,相较于现有的21700电芯,4680电池的能量密度提升了5倍,续航里程提升了16%,输出功率提升了6倍,并且成本还降低了14%。

实际上,希望尽快将4680电池量产交付的,并不止特斯拉,全球主要电池企业都有这个打算,国外有LG新能源、三星 SDI,国内则有比克电池、宁德时代、亿纬锂能等。

在日前举办的2022中国电动汽车百人会论坛上,比克电池副总裁樊文光站在动力电池制造商的角度,为业内带来了诸多大圆柱电池相关的信息。

总结起来,樊文光的分享涵盖步子大、前景大和挑战大。

步子大:大圆柱电池是未来5-10年中高端电动车最优解

樊文光认为,大圆柱电池各方面的性能都很优势,他认为大圆柱电池是未来5-10年内中高端电动车的最优解。

得出这个结论的理由是,圆柱电芯在安全性、性价比、续航里程、循环寿命和快充五个维度综合能力非常均衡。

樊文光表示,安全是电动车的基石,也是制约其他性能的前提,圆柱电芯是目前几种主流形态中安全性最高的。

“圆柱电芯的单体是最小的,分散了风险。每个单体又由钢壳或者铝壳保护着,且都有独立的泄压装置,另外,电池包内的圆柱电芯通常采用蜂窝状排列,电芯之间留有空隙,电芯单体与外部之间也有着很大的热交换面积。只要我们保证在任何单体电芯发生热失控时,不会蔓延到周围的电芯产生连锁反应,即可保证整包层面的热安全。”

樊文光进一步解释,对于安全业内通常的做法是,通过结构设计使电芯在高度方向定向泄压,保证侧壁方向无熔洞、撕裂等,这样热失控产生的热流就不会喷向相邻电芯导致它们也产生失效。此外,所有单体的壳体都可提供一定的结构刚性,又可以在受到外部冲击时有效的缓冲,形变不易侵入电芯内部,使得蜂窝状排列的大圆柱电池成为CTP, CTC等技术路线的理想选择。

除了安全,续航里程也是用户最关心的指标。

提升续航最有效的方法是提高能量密度,但电池能量密度和电池的稳定性或者安全性是呈反相关的,有点鱼和熊掌不能兼得的意思。

但圆柱电芯的高安全上限,使它可以支持更高能量密度的化学体系。

樊文光表示,比克早在2015年就率先量产了三元811+含硅负极的18650电芯。目前量产的2170等传统圆柱电芯,普遍使用镍含量88%或以上的三元正极,负极的硅复合物含量最高可达15%。

同时他也透露,比克在研发的大圆柱电池还会使用更加先进的体系。

“由于圆柱电芯结构对称,可以有效的束缚住卷芯在半径方向的膨胀和内部的气压,能保证整个生命周期不发生形变。但这些体系在方形电芯或软包电芯上的应用却面临着很大的挑战”。

此外,针对电池在寒冷地区的低温衰减,樊文光表示,大圆柱普遍使用的三元体系和全极耳,低阻抗有天生的性能优势,比克的大圆柱在-30度仍旧能放出90%的电量。

关于大圆柱电池的使用寿命,樊文光认为,目前越来越的企业开始用能量吞吐量和日历寿命来衡量电池的使用时间。

“能量吞吐量指的是全生命周期内,每次充放电循环,完成的能量交换的总和。它不但衡量循环次数,也考虑到电池本身的能量当量。而日历寿命更多体现的是电池在非使用状态下,长时间在各种环境中保持自身性能的能力。这两个概念可以更加全面的表征电芯的使用寿命。三元电芯虽然循环次数相对较少,但是因为高能量密度,使得在使用寿命上并不存在劣势。”

针对快充能力,樊文光认为,得益于全极耳技术、先进化学体系和电芯设计能力的加持,比克面向2024-2025年量产的大圆柱产品,从10% 快充到80%最长不超过20分钟,最快可以做到12分钟以内。与现在的燃油车加油体验已别无二致。

他强调,大圆柱电芯因为其单体电压高、一致性好等优势,可以非常好的匹配高压快充技术。

樊文光介绍,比克目前共有46系和26系两个系列的全极耳大圆柱电池产品。46系电芯去年开始陆续有样品批量交付,性能表现符合预期。26系则以26105铝壳电芯为主,目前处于B样阶段,应用于整车可达700公里以上续航,快充12分钟以内可达500公里续航,预计将于2024年量产,届时能量密度将高达285Wh/kg。

此外,在双碳战略的大背景下,低碳甚至0碳的工厂已逐渐成为标配。这要求电池生产企业需要更多的使用回收材料和清洁能源,提高生产效率。而圆柱电芯的高度标准化以及形态的对称性,使其梯次利用或回收都都更具有优势。



前景大:2025年大圆柱电芯至少占30%以上的份额

针对大圆柱电池的应用前景,樊文光分享了一组数据。预计全球电动车2025年将突破2000万辆销量,对应的动力电池需求将超过1600GWh。

“根据我们已收到的客户需求结合行业信息判断,大圆柱电芯会在这里面至少占30%以上的份额, 也就是约480GWh,已经超过了21年全球总需求量。目前有很多大型新能源车企,在未来5-10年,敲定了经济型采用方壳/刀片磷酸铁锂电池,中高端采用三元+硅大圆柱电池的布局。未来几年,比克将分两个阶段在海内外扩充80GWh的电池产能,持续发力”樊文光如是说。

实际上除了大圆柱电芯外,比克电池在产品上,一直秉持多元并行,持续发力。

据悉,比克最新的生产基地抚州比克已经落成投产了,会以LFP方形电芯及模组为核心产品,主要应用于户外储能、通讯基站、微网、太阳能路灯、数据机房、电网储能等。

小动力产品应用上,比克在电动工具、智能家居和两轮出行三大核心领域已占据一定优势。

此外,聚合物产品业务比克也在持续投入,樊文光表示,如果固态电池技术未来进入成熟阶段,聚合物业务将作为承接固态电池量产化的主体。

挑战大:大挑战蕴藏着大机遇

大圆柱电池的优点虽多,但工艺上存在很大挑战,目前良品率也较低。

还是以特斯拉为例,其最早试制的4680型电池的良品率仅有15%-20%左右,去年的良品率也仅仅提升到80%左右,而在今年1月的检测里,特斯拉弗里蒙特工厂14条试生产线的4680电池良品率才最终达到了92%,勉强符合量产最低标准。

实际上,2020年开始,比克就已经向部分高端OEM客户进行大圆柱的产品推介,2021年陆续有样品批量交付,性能表现符合预期。

虽然大圆柱电芯的制造相比于传统的小圆柱电芯,更加简洁,高效,但几乎对每道工序都提出了更高的技术要求。

以焊接为例,樊文光表示,焊接质量的好坏直接决定了电芯的内阻、自放电、密封性等性能,完美的焊好几百几千电芯不算什么挑战,难的是成百上千万上亿支电芯,几十亿次的焊接,都要保证在一个很小的范围内波动,才能使我们的电芯一致性和可靠性达到要求。目前可以做到这点的设备供应商还非常少。类似的情况还存在于辊压、分切、卷绕等工艺设备上。

圆柱电芯的尺寸越做越大,意味要卷绕更多圈的极片,而且要保证每圈极片都要就平行而且对齐,这些因素从电极的配方原材料开始就需要考虑。

樊文光表示,随着尺寸变大,由于充电造成的极片膨胀,外圈的极片会受到较大的张力,要解决这个问题,又对抑制硅负极的膨胀,以及提高箔材和隔膜的抗拉性能提出了挑战。这些都是对上游材料供应商的挑战和机遇。

以上这些挑战只是对供应商的,对那些缺乏圆柱电芯相应技术储备车企而言,在电池管理,热管理、安全设计上的挑战同样不小。

樊文光最后表示,电动车最终取代燃油车,当务之急是把使用体验如续航、快充等与燃油车持平,最终的破局之道,是在不断提高可靠性的前提下,降低产品的成本和价格。大圆柱因为自身工艺简单和高度标准化,以及在整包层面结构件减少,成组简单等,在整体成本上是一定有优势的。但要将这优势变现,需要我们产业链上每个环节共同发力,突破那个规模化的拐点。

截止2021年末,我国新能源汽车累计销售352.1万辆,连续7年位居全球第一,新能源汽车的高速发展也对高质量的电池产品需求不断加大,这就需要以比克电池、宁德时代、比亚迪、蜂巢能源等为代表的中国电池企业的技术突破和品质保障,通过全产业链的共同努力,共同推动中国汽车产业,借助新能源智能汽车的重大历史机遇站到世界最前沿,这一点我们深信不疑。

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