中国汽车工程师之家


中国汽车工程师之家--聚集了汽车行业80%专业人士 

论坛口号:知无不言,言无不尽!QQ:542334618 

本站手机访问:直接在浏览器中输入本站域名即可 

您当前所在位置: 新能源车 > 查看内容

动力电池行业深度报告

文章作者头像
发布:liuxianglong 来源: 东方证券
PostTime:28-3-2020 16:49
提升带电量解决多数问题

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


汽车零部件采购、销售通信录       填写你的培训需求,我们帮你找      招募汽车专业培训老师

提升带电量解决多数问题,

电池成本决定汽车电动化前景

电池系统成本是撬动汽车电动化的支点

对车企来说,动力电池最重要的性能指标依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循环次 数,其中安全性是压倒一切的考量。此外,根据麦肯锡 2016 年进行的一项电动车消费者习惯调查, 中美德三国消费者对于电动车的疑虑依次是产品价格、续航里程、充电便利性、车型/品牌。

综合来看,汽车电动化的必要条件是在满足安全性的前提下,以能够接受的成本缓解消费者的续 航里程焦虑(>400 km)。

成本方面,:产能阶段 性过剩,五大因素塑造行业格局》里的测算,电池系统的价格需要下降至 0.6~0.7 元/Wh,才逐渐 具备替代燃油车的条件,这意味着电池层面成本至少还需要下降 35~40%。这一测算结果与上汽高 管在 2020 年汽车百人会上的发言几乎一致。因此,电池系统成本是左右汽车电动化进程最重要的 因素。

对电动车续航里程影响弹性较大的 变量依次是电机传动效率、带电量、车身重量、风阻系数和能量密度。值得注意的是,整车的设计 能力,如风阻系数、迎风面积以及电控效率对续航里程的影响甚至高于万众瞩目的电池系统,可见 整车自身仍有非常大的挖掘空间以提升续航里程及产品力。

进一步地,我们假设其他参数不变,仅调整带电量和能量密度。

不难发现,尽管理论上较低的能量 密度最终会导致新增的带电量边际效应为零,但计算得知该临界点已超过 1000kWh,在带电量低 于 100kWh 时,可以认为汽车续航里程与带电量呈线性关系。

以蔚来汽车的电池系统为例,2018 年 ES8 上市时所用电芯的能量密度为 210Wh/kg,成组之后质 量能量密度仅有 132Wh/kg,重量成组率为 63.6%,体积成组率则仅有 31.7%,由于车身过重以及 风阻系数偏高,以 70kWh 的带电容量 NEDC 续航里程仅有 350km。经过设计改进之后,2019 年 推出的 ES6 基础版(70kWh)NEDC 续航里程达到 430km,高容量的车型(84kWh)续航里程达 到 510km,其质量能量密度和成组率也分别达到 170Wh/kg 和 70%,因此提高电池装载量是改善 汽车动力性的不二法门。

因此,对于电池系统而言,带电量是更具决定意义的参数,质量能量密度的影响相对有限。

值得一 提的是,提升带电量还可以缓解诸多困扰电动车的顽疾,以带电量分别为 30kWh 和 60kWh 的两 辆车为例,除了续航里程提升近一倍之外,大容量电池系统还有很多其他优点:首先,大容量电池 系统对于电芯的放电倍率要求降低,整车等速巡航阶段的输出功率约 10kW,但加速阶段输出功率 很大,峰值功率可达 100kW 以上,小系统的瞬时放电倍率要求达到 4C,这对电池寿命造成较大 伤害,而大系统的放电倍率要求仅为大系统的一半;其次,大电池系统的循环次数要求也大为降低, 假设汽车要求行驶里程达到 20 万公里,小系统的循环次数将达到 1100 次,而大系统的循环寿命 要求仅为 570 次,这为更高能量密度、低循环寿命的电池使用开拓了空间;三是充电功率显著提 高,在充电倍率相同的情况下,大系统快充半小时(soc 从 30%充至 80%)即可行驶 220 公里以 上,极大程度上缓解了充电压力,此外,车内空调等其他体验也有明显改善。

降低电芯成本是电池系统降本的核心任务

车企对于电池的需求可以简化为以尽可能低的成本装载更多的电池,

电池企业努力的方向可收敛 至 1)降低电池制造成本,为提升电池装载量提供经济性空间;2)提高电池系统体积能量密度, 提升电池容量潜在装载空间;3)定制化生产,满足参数设计的定制化要求。

如前所述,ES8 电池系统的重量和体积成组率分别仅有 63.6%和 44.2%,但电芯的成本占比却远 高于此。根据公开数据,软包电芯的系统成本占比达到 70%左右,方形电芯的成本比重则高达 80%, 随着电芯能量密度的提升,结构件的重量和成本占比还会进一步下降,因此降低电芯成本是系统降 本的核心人物。在目前一线电芯企业格局已基本清晰的情况下,电池企业下一步竞争的关键是在确 保安全性的前提下,尽可能降低电池制造成本,其他诸如能量密度、循环寿命等性能的优先级相对 靠后。

电芯成本解析:原材料成本占 9 成,非活性物质比例 较大

参数设计:定制化特征明显,容量提升推进电芯标准化设计

锂电池是有一定差异性的产品,汽车不同的功能需求对于电池的参数有着决定性的影响。

粗略来 看,根据使用情况可将锂电池分为两类,一类是功率型,主要用来为汽车加速提供短暂的动力,可 以储存的能量较少,不能长期提供能量,其能量释放时间通常持续几秒到几十分钟;另一类是能量 型,可以长期提供能量,但放电速率相对较小,一般情况下放电时间设计为 1 小时甚至更长,一般 纯电动汽车会用到能量型电池。

功率型电池与能量型电池的主要区别是功率/能量比,即放电倍率,

功率型电池的放电倍率可达 15C 以上,能量型电池的放电倍率不超过 2C,随着纯电动汽车带电量日益增大,对于放电倍率的要求 会进一步放宽。这两种需求反映在电芯层面,最显著的区别是功率型电芯极片由于电流密度较大, 为确保结构稳定,活性层的厚度很薄,能量密度较低,成本更高。因此工业上这两类电芯在设计方 面截然不同。

在同一类电芯内部,设计上也存在差异性。

以最普遍的能量型电芯为例,电池参数设计首先必须根 据用电设备需要及电池的特性,确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳以及其他部件的参数,对工 艺参数进行优化,并将它们组成有一定规格和指标(如电压、容量、体积和重量等)的电池组。

动 力电池设计时,必须了解用电设备具对电池性能指标及电池使用条件,一般应考虑以下几个方面:

电池工作电压,决定了电芯的数量与连接方式;

电池工作电流,及正常放电电流和峰值电流;

电池工作时间,包括连续放电时间、使用期限或循环寿命,与电池工作电流一起决定了电池 的容量;

电池工作环境,包括电池工作环境及环境温度;

电池最大允许体积。

美国阿贡国家实验室提出了一套设计原则,规则要求用户输入多个设计参数,例如电池电量,电池 和模组数量,以及最大功率下的目标电压等。

此外,用户必须输入以下三种能量测量值之一:电池 组能量,电池容量或车辆电气范围,定义其中一个值将决定其他两个值。然后,迭代过程通过改变 电池容量和电极厚度来解决用户定义的能量参数(能量,容量或范围)和剩余电池特性。结果是电 池,模组和电池组的尺寸,质量,体积和材料等方面的要求。

对于有容量要求的电池,在材料体系选定后,根据正极活性物质的比容量即可计算出正极活性物质 的质量,再根据正极配比(活性物质、导电剂、黏结剂的配比)和涂布量上限即可计算出这些活性 物质需要涂布在多大面积的集流体上,即求得正极总面积。随后根据电子平衡原则和防短路要求, 电芯的负极和隔膜用量也可求得,据此可以得出整个电芯的物料用量。因此,正极材料的性能和用 量是电芯容量的决定性因素。

随着电池系统容量的增大,电芯参数设计的差异性在降低,标准化程度日益提升,

原因在于大容量 电池系统消解了工作电压、放电功率、连接方式等电学要求,突出了电池体积、系统成本的约束, 使得不同电池系统的差异性日益集中到电芯数量/容量方面,其他参数的差异性大为降低。另一方 面,从工业生产角度,推进电芯设计、生产的标准化程度,也是降低电池系统成本非常有效的途径。因此,尽管电池定制化的需求仍然存在,但电池企业总体上在减少电芯规格的品类。

生产流程还原:批次与节拍工序交错,质量控制是难点

自 1991 年索尼公司实现锂电池商业化生产以来,锂电池在性能与生产工艺上实现了长足的进步, 但其工作原理、产品结构及其生产流程总体上并未发生很大变化。概而言之,锂电池电芯的制造可 以分为 3 个主要生产环节,约 15 个生产工序:

电极制片。

电极制片是将正极和负极材料涂在作为载体的金属箔材上,再加以干燥、压延, 该环节包括混浆、涂布、烘干、辊压和分切等工序。

单体装配。

将涂布好的正负极极片轮流交替铺上隔膜,加工成一个电极堆叠,然后再将堆叠 置入到外壳中包装好,并注入电解液。

化成、老化(续化成)和检测 

装配好的单体首先使用小的电流缓慢充电,再用较大的电流 循环多次进行充电和放电,以便达到生成单体全部功能的目的,并用以记录单体精确定义好 的各项功能。

混浆是将正负极活性材料与导电剂、粘结剂以一定比例,在溶剂中混合均匀。混浆过程对电池单体 的质量起着至关重要的决定性作用,每一组分都必须具备最高的纯度,最小的剩余含水量及最大的 干燥度,并且必须以最高的精度来加料,对集流体金属(铝箔和铜箔)的要求也要有最高的纯度 (>99.8%)。为了保证后续的涂布工艺过程能够安全、连续地运行,混拌好的涂布物质的一些关 键参数如均一性和粘度系数必须精确保持在设定值范围之内,不仅如此,混浆关键参数如均一性和 粘度系数的时间变化也必须考虑进来,因此混浆要求必须快速加工处理。

电极涂布的主要任务是将性能稳定、粘度适当、流动性好的浆料均匀地涂覆在铜箔(负极)或铝箔 (正极)上。电极涂布工艺的好坏,对锂电池的容量、一致性和安全性具有直接影响。据不完全统 计,在锂电池失效的全部原因中,约 10%是由电极涂布工艺引起的。浆料涂布过程中必须要保证 极片厚度和单位面积拉浆重量的高精度性,使用具备极片拉片和极片张力控制最高精度的涂布机 设备是优质出品的前提条件。

极片涂布后制成的极片必须进行干燥。干燥室通过热风对流在不同的干燥箱(悬浮带式干燥箱、对 流抽吸式干燥箱、滚动带式干燥箱)里实现的。干燥箱里设置的干燥温度曲线对极片附着在金属极 片上的附着强度以及整个极片厚度上粘合剂的分布意义重大。

电池装配过程要完成卷绕、装壳、封口、注液等步骤,是电芯制作的核心,对周围环境要求极高, 如湿度要控制在 1%以内,同时,这些流程自动化程度较高,一旦参数确定出现质量问题的概率反 而相对较低。

在老化工序中,从传送带上运送过来的电池单体被放置到一个加热到约 30℃的车间里存放 8~36 天不等。在老化过程的前期和后期分别测量单体的开路电压(OCV),测得的数据可以用来计算单 体的自放电率。老化过程之后会对存放的单体做一些功能测试,比如容量测试、内阻测试和自放电 测试等。以这些测量值和事先定义好的极限值为基础,可以再老化工序之后把单体进行容量等级的 多级分类,这个过程称之为分容。

老化工序最大的挑战性在于对空间场地的需求,因为存放单体需 要大量场地,导致费用大增,同时还有大量的专用托盘需求,这也带来了额外的高额成本支出。

在上述工序中,搅拌、涂层、烘干、压实、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序(batch), 而切片、层叠、加注电解液、封装等工序为节拍制造工序,

这导致锂电池的生产流程连续性较低, 自动化水平相对受限,对保持电池品质的一致性带来了巨大挑战。

方形卷绕电池:正极材料是降本最大来源,其他措施集腋成裘

美国 Argonne 国家实验室建立了一个非常精细的模型以研究锂电池成本,但研究对象是方形叠片 电池,我国锂电池厂商多采用方形卷绕路线,因此 Batpac 的经典模型并不适用。我们借鉴其思路, 搭建了简化的方形卷绕电芯成本模型,假设该电芯采用 622 三元正极材料和人造石墨负极材料, 其他参数假设如下:

我们将最经典的 PHEV-2 型电芯规格代入其中,电芯的长度、宽度、厚度分别为 148mm、92mm、 27mm;计算得到该电芯的容量约 51Ah,质量能量密度为 216Wh/kg,体积能量密度为 512Wh/L, 与实际数字吻合度较好。电芯的各组成部分以及重量组成如下:

该电芯中,正极活性材料的重量占比仅有 37.3%,箔材、电极以及封装壳体的重量占比则超过 20%;在成本构成上,正极材料的占比则达到 43.5%,物料成本中的占比高达 55.6%。由于正极活性材 料是电池容量的决定性因素,因此技术上降低电芯成本的主要方式是提升正极材料的重量占比。实 际上,在过去 20 年里,锂离子电池的能量密度每年稳步增长 3%,主要依赖于增加活性物质比例 技术方面的进步。

对成本模型中的主要参数进行敏感性分析,对成本影响最大的因素是正极材料的性能和价格,负极 性能和价格影响位居其次,但弹性系数已相差较远,此外,降低非活性材料的各项措施(提升活性 材料面密度、降低载体厚度、增大电芯尺寸等)尽管单项影响都不大,但累计起来降本效应也不容 小视。

对于锂电池而言,单纯提高正极材料 1 倍的储锂容量,在平均电位不下降的前提下,提高锂电池的 质量能量密度最大约为 40%;提高负极材料 1 倍的储锂容量,提高电池的质量能量密度最大约为 20%。由于电极储锂容量提高一般伴随着体积变化,单纯通过提高电极材料的储锂容量来提高电池 的体积能量密度,应该很难超过 40%。叠加工艺方面的进步,在现有体系不发生根本变化的前提 下,锂电池单体的能量密度达到 300Wh/kg 时可能会遭遇瓶颈。

降本之路知易行难,技术能力是核心驱动

电池的主要材料价格在 2018 年之后降幅已明显趋缓,这意味着电芯单体的 BOM 成本下降将进入 瓶颈期。在此背景下,提高单体的储能能力—即提升电池能量密度—以摊薄单位容量成本是电池厂 商的内在需求。能量密度提升的本质,是在确保安全的前提下,在一定空间内(外包装)将活性材 料的重量/体积占比不断提升,并升级活性材料的比容量。

能量密度提升有如下路径,一是采用高比容量的活性材料,即正极高镍化和负极用硅碳材料;二是 优化工艺提高活性材料的重量占比,包括提升面密度、压实密度、卷绕改叠片、降低铜箔、铝箔、 隔膜等材料的厚度;三是提高电芯尺寸,挖掘规模效应。此外,在系统层面上还可以改进成组技术, 降低模组、PACK 等封装成本。

材料:在比容量与安全性之间走钢丝

高镍正极:只有龙头能驾驭的降本利器。

从敏感性分析结果来看,提升正极材料的比容量是降低成本极为有效的途径。在材料层面,高比容 量的正极材料包括高镍三元和富锂材料,其中高镍三元材料已经取得了一定进展。

高镍化至少能带来两方面好处,一是降低钴资源的用量,减轻上游资源价格波动带来的价格波动,

NCM811 相比NCM523 的钴含量由12.21%降至 6.06%,折算到动力电池每kwh 用钴量从0.22kg 降至 0.09kg,因此在钴价越高时,NCM811 的材料成本优势将越明显。例如,在金属钴 20 美元/ 磅时,高镍三元材料单位容量成本低 8%;在金属钴 30 美元/磅时,高镍三元材料单位容量成本低 12%;二是提升能量密度,降低电池每 Wh 成本,2015 年以来三元材料从 333 过渡到 622,比容 量从 150mAh/g 提升至 170mAh/g 以上,电芯能量密度则从 180Wh/kg 提升至 260Wh/kg。目前广 受关注的 811 系材料已经开始使用,Ni 含量更高的材料也在研发之中,可以说高镍化是材料发展 不可动摇的趋势。

我们的模型测试结果表明,在其他条件不变的情况下,正极比容量从180mAh/g提升至200mAh/g, 电芯的能量密度从 218Wh/kg 提升至 232Wh/kg,增幅近 7%;物料成本则从 0.419 元/Wh 降至 0.386元/Wh,降幅近8%;如若比容量进一步提升至210mAh/g,则电芯能量密度提升至239Wh/kg, 成本进一步降至 0.372 元/Wh。

因此,对于电池企业来说,高镍化是降低电芯成本无法回避的路径。

另一方面,高镍化带来的技术挑战仍待攻克:

首次循环效率下降;热稳定性下降。

由于 Ni2+半径(0.069 nm)与 Li+半径(0.076 nm)较为 接近,在制备过程中容易导致锂镍阳离子混排,进入镍空位的锂在循环过程中难以脱嵌,导 致电池的首次库仑效率不够理想,并容易造成材料结构坍塌,由层状结构向尖晶石结构或 NiO 型岩盐相转变,从而导致容量衰减、循环性能和热稳定性降低。

由于 Ni4+具有还原性,容易生成 Ni3+,为了保持电荷平衡,材料中会释放出氧气,导致材料 结构被破坏

。副反应影响安全,材料表面的杂质在存储环境中的水份及氧气的作用下会与电 解液发生反应,生成 Li2CO3 和 LiOH 等物质, 从而在电极材料表面形成一种绝缘层,阻碍 Li+的扩散和电子的传输。

压实密度下降,目前三元电池极片的压实密度可以达到 3.3~3.6g/cm3,而高镍材料是一次颗 粒团聚而成的二次球形颗粒, 由于二次颗粒在较高压实密度下会破碎,对煅烧时的气氛要求 很高,压实密度目前很难突破 3.3g/cm3,从而限制正极活性材料比例的提升。

高镍材料表面的碳酸锂和氢氧化锂杂质不易控制,杂质容易超标,这些残留锂化合物主要是 Li2O、LiOH·H2O、Li2CO3等碱性物质,残留物越多,材料表面的 PH 值越大。碱性物质在 空气中容易吸潮,导致材料表面和水反应,或使材料在调浆时黏度变大,或者将多余的水分 带入电池中,造成电池性能下降。调浆黏度变大的原因是黏结剂 PVDF 团聚,使正极浆料黏 度变大难以过筛,情况严重时浆料变果冻状,成为废料。

正极材料生产条件苛刻,成本上升 8 系以上的三元材料较之前的 5 系、6 系理化性质出现了 很大变化,导致高镍正极在原材料合成、工艺装备(不易混合、需要二次煅烧及水洗等)、环 境控制(全程湿度低于 10%)、环保(氨水浓度大、氢氧化锂刺激气味大)等方面都不得不 面对更多的困难,因此尽管理论上高镍材料可以使原材料成本下降 6-8%,但目前高镍正极市 场价格较 5 系高出近 40%。

因此,高镍材料的商业化应用并非简单更换活性材料,而是要解决随之而来的材料、电池设计以及 循环特性方面所带来的一系列负面问题,这导致了高镍推广困难重重,迄今为止批量供应高镍电 池的企业仅有两家,其中松下自 2017 年起向特斯拉供应 NCA 高镍电芯,宁德时代自 2019 年下 半年起增加 NCM811 高镍电芯,其他诸如 LG、三星、SKI 等一线国际企业一再推迟高镍电池的批 量供货,二线企业在高镍化之路上则落后更远。

硅负极:极具性价比的降本良方

前述的成本敏感性分析表明,改善负极性能也是降低电芯制造成本的有效途径。目前商业化的锂电 池主要以石墨为负极材料,石墨的理论比容量为 372mAh·/g,而市场上的高端石墨材料已经可以 达到 360~365mAh·/g,因此基于石墨负极的锂电池能量密度优化空间相对有限。

在此背景下,硅基负极材料因其较高的理论比容量(高温 4200 mAh·/g,室温 3580 mAh·/g)、低 的脱锂电位(<0.5 V)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能 量密度锂离子电池负极材料。

然而,由于硅负极材料在充放电过程中存在巨大的体积变化(320%),导致纳米硅颗粒与电极极 片的机械稳定性变差、活性颗粒之间相互的接触不好、以及表面 SEI 钝化膜的稳定性降低,严重影 响电池寿命;硅的膨胀会在电池内部去产生巨大的应力,这种应力会对极片造成挤压,从而出现极 片断裂;还会造成电池内部孔隙率降低,促使金属锂析出,影响电池的安全性。

因此目前硅负极主要通过与石墨负极材料复合使用,解决体积膨胀的问题可以通过控制碳材料中 硅的含量、减小硅体积到纳米级;或改变石墨质地、形态,实现碳和硅的最佳匹配;或者采用其他 物质对硅进行包覆,促进膨胀后的复原;还可以采用更适宜的电极材料等一系列方法来减少硅膨胀 带来的诸多问题。

实践证实,要想取得比较理想的电化学性能,复合材料中的硅颗粒粒径不能超过 200-300nm。但 是在比表面、粒径分布、杂质以及表面钝化层厚度等关键指标技术壁垒都很高,国内厂家目前还达 不到,而外购纳米硅粉成本极高,导致硅碳负极的价格较石墨类产品高出 1 倍左右。

现在行业用硅普遍在8%-10%。据测算,采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升8% 以上,体积能量密度可以提升 10%以上,同时每千瓦时电池的成本可以下降至少 3%,因此硅负极 材料将具有非常广阔的应用前景。同时,

与高镍推广面临的问题类似,硅碳负极的应用条件更加严 苛,同时以硅碳材料为负极的电池负极片压实密度和首次效率都会下降,

导致多数电池厂家只能望 洋兴叹,我国目前硅碳负极的出货量占比还不足 1%。主要电池厂家中松下的步伐较早,供给特斯 拉的高比能量电池即采用硅碳负极,其他电池企业尚无大批量供货的记录。国内负极龙头贝特瑞和 江西紫宸已有不同规格的硅碳负极产品,预计未来几年有望逐渐推广。

设计:螺狮壳里做道场,工艺优化无止境

一颗锂电池容量由正极材料多寡决定,提升能量密度除了采用高比容量的材料之外,另一路径是在 有限的空间内装入更多的活性材料,即提升电芯内部的填充度。根据我们搭建的模型测算,

PHEV2 型电芯内部填充度约为 82%,填充不完全在横向和纵向上都有原因。

横截面上,在电池设计中,通常采用群裕度这个概念来表征电芯的空间填充度。群裕度是指电池实 际内部横截面积与最大内部截面积的比例,即,将电芯横向切开,其中卷绕式电芯中各种物质的截 面积与电池壳体内径包含的面积的比值,可以表征卷绕式电芯的入壳的困难程度、电芯充电膨胀后 对壳体的压力等。

纵向的不完全填充主要来自顶层集流体、绝缘层等内伸的部件需要占据的空间,一般为顶盖的内侧 部件留出 5mm 空间,此外,为防止极片短路,宽度方面隔膜>负极>正极,涂布时正极材料比隔膜 少 4mm 左右,这进一步降低了正极材料的用量。

此外,目前方形电池的装配多选用卷绕工艺,卷芯成型后弯曲的部位难以避免留下空隙,这进一步 降低了内部空间的填充率。

因此,改善空间利用率也多从如下途径实现,一是选用叠片装配工艺, 二是减少非活性材料的体积占比,三是增大电芯内部尺寸摊薄非填充空间的比例。

卷绕改叠片:有效提升群裕度,生产效率是主要阻碍

目前的方形电池多数采用卷绕工艺装配电芯,卷绕工艺非常成熟,成本也相对较低,但卷绕工艺装 配的电芯对内部空间利用率不足,从而限制了电池能量密度的提高和成本的下降。我们模型测算的 结果表明,卷绕电池空间利用率仅有 82.3%,偏低主要源于三个方面,一是纵向上为顶盖和极柱焊 接留出空间,一般为 5mm 左右,对 PHEV-2 型电池影响空间利用率约 6.2%;二是横向上由于卷 绕电芯易膨胀,按照群裕度第二重定义,一般设计为群裕度 93%左右,为卷芯厚度增加留出弹性 空间;三是卷芯两侧边缘位置存在较大曲率,也造成了空间浪费,我们模型测算结果显示曲度部分 影响填充率约 5.7%。此外,在充放电的过程中,卷芯弯曲部位易变形和扭曲,会导致电池性能下 降,甚至有安全隐患。

和卷绕工艺相比,叠片工艺具备天然的优势。叠片式极组呈长方形,几乎可以充满方形壳体空间;而卷绕式极组呈椭圆形,必然造成壳体四角的空间浪费。另外,卷绕式极组长时间使用后容易扭曲, 两侧圆弧处断裂造成内部短路。未来方形电池做大做长,电池管理更加简易高效,可以更好地适应 电动汽车模块化生产,这也是圆柱电池所不具备的优势。

在产品性能方面,根据蜂巢能源披露的信息,叠片工艺生产的方形电池优势明显:因为极组有更好 的结构适应性,电池变形和膨胀的几率大幅下降;边缘结构更简单,电池安全性更高;能量密度可 以相应提高 5%;循环寿命提升 10%-20%;内阻更低,可以实现更高倍率放电;电池的规格更加 灵活,一致性更佳。

我们的模型测算结果表明,在同等规格尺寸下,采用叠片技术之后,按照群裕度第一重定义,设计 值可达 96%左右,较卷绕提高 8 个百分点,从而使得能量密度提高 12%,电芯每 Wh 物料成本下 降近 10%。

尽管叠片工艺潜在优势明显,但当前仍然面临诸多需要克服的问题,包括更高的工艺门槛和生产成 本等,其中最大的难题是生产效率。日韩厂商曾经攻关叠片工艺,但是生产效率提升始终无法取得 实质上的突破。当下卷绕机的水平,可实现线速度 3m/s,张力波动控制±5%,对齐精度为±2mm, 整机合格率≥99%,时间稼动率≥98%,故障率≤1%,叠片机水平目前是电芯整体对齐精度±0.5mm, 产品合格率≥99.5%,时间稼动率≥98%,故障率≤1%,叠片效率(五工位)在 4 片/s,与卷绕效率 相差较远。据测算,在电芯尺寸较小的情况下,只有单工位效率提升到 0.2 秒/片左右时,叠片工艺 才可能与卷绕工艺成本相当。

另外,叠片工艺需要将每个极片进行两次分切,一个电芯则涉及到数十次分切,而卷绕工艺每个电 芯只需要进行正负极各一次分切。每次分切都存在极片的截面产生毛刺的风险,这就增加了电池质 量控制的难度。正是因为受制于这两个主要的短板,叠片工艺的渗透率还有待突破。但总体而言, 效率与分切的问题并非不能克服,

目前主流电池厂中,除了 LG 一直采用叠片和软包路线之外,宁 德时代、比亚迪也纷纷布局该路线,三星 SDI 于近日宣布在匈牙利的新产线将采用叠片工艺,我 们预计未来几年内叠片有望取代卷绕成为电芯的主流生产工艺。

大尺寸电芯:提效降本一举多得,工艺水准决定成果

增大单体电芯容量是降低电池生产成本的重要手段。大容量电芯一方面通过优化设计调整材料结 构,降低单位电量所使用材料,另外一方面通过提高单片电芯电量,有利于降低生产损耗。由于电 芯为模组和电池包的主要材料投入,大容量电芯带来的单位材料成本下降也带动模组和电池包材 料成本的下降。以特斯拉的电池系统为例,2019 年起特斯拉采用松下的 21700 圆柱电芯代替使用 了 5 年之久的 18650 电芯,切换之后,电池单体电池容量可以达到 3~4.8Ah,大幅提升 35%,电 芯能量密度则从 250Wh/kg 提升 20%至 300Wh/kg,生产成本降幅达 9%以上。

具体而言,大电芯的第一个优势是提升了活性材料的重量比例,从而提升电芯的能量密度,降低电 芯生产成本。我们的模型测算结果表明,方形卷绕电芯厚度从 27mm 增加至 79mm 时,由于非活 性物质用量被摊薄,正极材料在电芯总重量的占比从 37.6%提升至 39.4%,其质量能量密度从 218Wh/kg 增加至 229Wh/kg,增幅达 5%,电芯综合成本从 0.54 元/Wh降至 0.506 元/Wh,降幅 约 7%。

[文章纠错]

文章网友提供,仅供学习参考,版权为原作者所有,如侵犯到

你的权益请联系qchjl_admin@126.com,我们会及时处理。

会员评价:

0 发表评论

QQ|小黑屋|手机版|Archiver|汽车工程师之家★汽车技术交流学习网★车辆设计论坛 ( 渝ICP备18012993号 )

GMT+8, 3-6-2020 20:01 , Processed in 0.146702 second(s), 23 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.