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该轮到中国动力电池被国外追赶了

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在中国新能源行业崛起的过程中,技术一直是最重要的赛场。

6 月 23 日,宁德时代正式以一段不满4分钟的视频发布了其第三代CTP技术。官方将这种技术命名为“麒麟电池”。虽然视频本身非常简短,而且充满了各种动力电池技术名词,但“麒麟电池”的出现再次证明了一个事实——中国动力电池企业的技术实力已经站稳全球第一梯队,不仅在生产规模上,就连技术上也已经开始超越日韩前辈。


宁德时代官方就在视频中将“麒麟电池”与之前动力电池领域的“国外标杆”4680进行了对比,从电池关键的5大性能(能量密度、快充性能、导热效率、系统集成效率、安全性)来看,“麒麟电池”高了不是一点半点。

究竟应该如何理解宁德时代这次的技术创新?这次创新又折射出中国新能源汽车行业怎样的发展状态?

中国锂电池从来不跟风,而是要直接掰手腕


回顾全球锂电池技术的发展,中国一直是“后来者”。目前全球动力龙头之一的松下从1970年(至今已超50年)就已经开始生产锂电池;而宁德时代的起点即便算上消费电子时代,顶多只能追溯到1999年,两者相差近30年。

“后来者”的劣势,也逼迫宁德时代从一开始就走上了更“艰难”的发展路线。


先拿电池外形来说,虽然在普通人看起来只是大小和形状的不同,但它会显著地影响到电池的性能表现。日韩系厂商从消费电子时代就牢牢占据圆柱电池赛道,先天就拥有一致性更好(电池单体差异小)、力学结构强(更安全)、能量密度高(电池单体容易卷绕填满)等特点。

也正是因为这些优点的存在,让特斯拉在2008年选择了松下的18650(直径18毫米、高度65毫米)电池。而特斯拉2年前(最近才开始量产)发布的4680(直径46毫米,高度80毫米),基本可以看作18650的全面升级版本,不仅个头变大了(单个容量变大),在结构上也实现了一系列创新(无极耳等)。


相比之下,因为圆柱电池赛道“阻碍”重重的中国动力电池企业,包括宁德时代,走上了大体积方形电池的发展路线。这种电池虽然看起来是方形的,但内部实际上仍然是一个卷绕起来的结构,不可避免地导致一致性挑战大(已被高度自动化的机械生产方式解决)、能量密度稍低(内部边角体积不一定全部被利用)。

我们上面对比的对象都是单个电池的情况,当到了“把电池装进车里”这个环节,方形电池和圆柱电池的优劣势就完全转换了过来。

圆柱形电池无论怎么“拼”,电池与电池中间都会有大量的间隙,为了帮助电池散热,散热的管道还必须弯曲成贴合电池的连续曲面(如特斯拉电池结构图),反过来导致了电池包(就是把电池全部装在一起形成一个大盒子,再装到车上)的设计非常复杂,系统的能量密度进一步折损。

而当轮到方形电池,拼就显得太简单了,因为所有面都是平面,电池与电池之间也不存在不规则的间隙,散热的管道也能够完全按照直线布置,让电池包内的空间利用变得更高效,从而抵消了电池包环节的先天劣势。

而这次“麒麟电池”所代表的CTP(Cell to Pack)技术,说白了就是对“方形电池装到电池包”这一大环节的进一步优化。

传统的电池在装进电池包之前,还会先组合成模组。模组中除了电池还会有控制、导电连接、塑料框架、冷却装置等,都会占据额外的体积。而模组与模组之间还会留有一定的间隙,留给紧固件、横梁、纵梁等物理结构。去掉模组,意味着对这些多余结构开刀,同样的体积自然可以塞进更多的电池。


以目前动力电池行业的实际产品表现来对比,有模组的动力电池体积利用率大概是40%,2019年宁德时代的第一代CTP技术已经将体积利用率提升到了55%,而到了这次第三代的“麒麟电池”,宁德时代已经将体积利用率提到了惊人的72%。

简单点说,跟有模组的普通电池比起来,“麒麟电池”在同样的体积内足足可以塞下1.8倍的电池容量,让最终的车辆续航里程实现接近80%的增加。

对于早就“脸贴脸”的圆柱电池来说,并不存在“麒麟电池”这样的升级空间,即便是最“先进”的4680,整体的体积利用率也不过63%。这一根本性的差距,再叠加上宁德时代成熟完善的方形电池产品,最终让“麒麟电池”可以在同等体积下比4680多塞进13%的电量,在使用三元锂电池的情况下,系统能量密度可以达到255Wh/kg,帮助纯电汽车实现1000公里续航。

当然,作为一个复杂的汽车子系统,动力电池包也并不只是把过去多余的东西全部去掉,直接把电池“堆”进去就完事了。宁德时代在“麒麟电池”引入了一项名为“多功能弹性夹层”的技术,通过单个结构完整解决了电池单元隔热(隔热垫)、散热(水冷系统)、结构强度(横纵梁)的综合需求,成为提升“麒麟电池”系统能量密度的最大功臣。


从宁德时代公布的视频中来看,这一装置是多道、空心、可横向压缩变形的金属结构。不仅将每一层的电池单元间隔开来,同时还相当于为整个电池包增加了数十道横向的加强筋,能够大幅增加侧面碰撞的安全性。

可横向压缩变形这一点也大有学问,电池包的电芯在运转的过程中会发生温度的变化,其尺寸也会相应变化。过去的做法是空出一个间隔,让它们互相不碰上,而在“麒麟电池”电池中,宁德时代则是让整个夹层自己可以伸缩。

其空心的结构中直接流有冷却液,对每一个电池单元形成“两面夹击”,从而获得远超过去方形电池“上下夹击”(接触面积更小)的散热效果。因为这份出色的散热效果,“麒麟电池”还在快充性能上进一步提升,达到了惊人的“4C”(1小时充满次数,也就是15分钟充满)充电速度,它同时还能在5分钟内完成热启动,并且在10分钟内充入80%的电量。

值得特别一提的是,宁德时代已经于今年4月对“多功能弹性夹层”装置申请了发明专利,显然是其最新的自研成果。

按照宁德时代官方公布的规划,“麒麟电池”将于明年量产,届时装备这种电池的全电新能源车不仅容量将有起码40-50%的提升,同时还能拥有15分钟快充、更大车内空间等一系列优势,极有可能在全球新能源产业掀起动力电池的新一波变革。

被追赶的,已经换成了宁德

最近几年在不经意间,锂电领域“中国追逐日韩”的态势,已经转变为了“日韩追逐中国”。宁德时代在乘用车锂电池市场中的长足发展就是最好的例子。


截至2021年,宁德时代已经连续五年“霸占”全球最大动力电池企业的宝座。2021年装机量达到96.7GWh,同比增加了167.5%,全球市场份额也进一步增长,从2020年的24.6%增长到了32.6%。

多增长的8%市场份额,主要来自日韩“老二”、“老三”的LG和松下。2020年,宁德时代和LG化学对特斯拉上海工厂的供货比为2:8,这个数字到了2021年,直接“倒”过来变成了7:3。特斯拉的这一“倒戈”行为,显然是宁德时代综合竞争力的最好体现。

在已经站稳全球、国内动力电池市场占有宝座的前提下,宁德时代其实还在进行着自己的扩张计划,只不过下一步的目标直接跳到了欧洲。

宁德时代在德国图灵根州的第一座海外工厂,在今年4月已经获得了当地政府发放的生产许可证。这座工厂生产的动力电池,大概率将供应给德国境内三家全球车企龙头:奔驰、宝马、大众。

通过与更多国际车企的深度合作,宁德时代必然也将从国内新能源汽车市场走向全球新能源汽车市场,迎来更高速的发展。

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