4680别嚣张,宁德时代麒麟电池来了-电动汽车观察家

4680别嚣张,宁德时代麒麟电池来了

预热两次之后,宁德时代用一个3分57秒的视频和一篇公众号推文,宣告了麒麟电池的诞生。

宁德时代第一次抛出麒麟电池是在2022电动汽车百人会论坛上,此后在一周前“云上宜宾”高端对话中再次提及。

麒麟电池,不是电芯技术,是电池系统技术。

这是由方形电芯组成的电池系统,体积利用率突破72%,系统集成度创全球新高。

采用三元材料电芯时,麒麟电池系统能量密度可达255Wh/kg,轻松实现整车1000公里续航;采用磷酸铁锂时,系统能量密度也超过160Wh/kg。

在相同电芯化学体系和同等电池包尺寸下,麒麟电池能量密度相比圆柱4680电池系统要高13%

宁德时代在百人会论坛上展示的ppt

这是一款要与圆柱4680电池系统分庭抗礼的产品。

自从特斯拉在电池日上发布了4680电芯之后,这一电芯成为“当红炸子鸡”,中外部分电池企业表态跟随。一些意见甚至认为,4680将在高端动力电池取得压倒性的优势。

不过4680电芯及其系统,想要完全压倒其他高比能方案,也没那么容易。

因为世界上没有完美的电池,任何一个产品、型号都是性能、成本和安全性等方面平衡后的结果。

除了电芯本身性能的提升以外,车企的禀赋和需求、电池企业的制造能力,都是车企选择电池的重要参考因素。

目前来看,车企在圆柱电池的成组能力、大圆柱电芯的制造难度、散热难度都会成为4680短期内快速发展的制约因素。

麒麟电池的出现,就是一个明证,4680型号电芯想要一款电芯包打天下,没那么容易。目前,动力电池的发展方向,仍然是多技术路线各显神通。

理想汽车创始人李想就在麒麟电池发布不久,公开站台宁德时代,并在微博上给出了“明年见”的评论。此后,阿维塔和哪吒也就麒麟电池,与宁德时代展开互动。

让我们先来认识下宁德时代的麒麟电池。再来看看,当麒麟对撞4680时,将有怎样的火花。

01

电芯倒置的电池包

麒麟电池最大的特点之一就是电芯倒置。

宁德时代不是第一家在电芯摆放上做文章的企业。前不久,上汽就发布了一款躺式电芯的电池包。宁德时代倒置电芯的方式,显然比躺式电芯电池包的空间利用率更高。两者在水冷功能件上的调整思路倒是一致,都从底部挪到了电芯中间。

宁德时代还将水冷、隔热和横纵梁集成,进一步提升了电池包的集成度。

(1)电芯空间利用率达到72%

从宁德时代给出的资料可以看出,其电芯是倒置的。原来顶盖向上摆放时,电池包需要给电芯上下都留出空间,上面要给热失控留出排气空间,底部要留出防底部球击的空间。

电芯顶盖向下

如今倒置电芯,失控排气和底部球击空间共用,就给电芯多留了6%的空间,相比魔方电池躺式电芯,空间利用率更高。

(2)集成为多功能弹性夹层

宁德时代还取消了横纵梁、水冷板与隔热垫原本各自独立的设计,集成为多功能弹性夹层。内置微米桥连接装置,配合电芯呼吸进行自由伸缩,提升电芯全生命周期可靠性。

横纵梁、水冷板与隔热垫集成为多功能弹性夹层

这个夹层的好处不止如此,还能起到受力结构的作用,电芯和多功能弹性夹层组成了一体化的能量单元,成为行车方向上的受力结构,提高了电池结构强度和抗冲击能力。

(3)换热面积扩大四倍

宁德时代通过将底部水冷功能件置于电芯之间,使换热面积扩大四倍。这项电芯大面冷却技术,将电芯控温时间缩短至原来的一半,从而适应更大电流和更高电压的快充。目前麒麟电池可支持5分钟快速速热启动及10分钟快充至80%。

换热面积更大

在极端情况时,电芯可急速降温,有效阻隔电芯间的异常热量传导,有效避免电池非正常工作温度造成的不可逆损伤,有效提升电芯的寿命和安全性。

因此,麒麟电池可实现全化学体系的热稳定、热安全,从而适配更高能量密度的材料升级。

冷却面积的大幅提升,有效适应车企接下来800V电压平台车型的推出。

可以说,宁德时代通过大量实车数据和AI模拟仿真,最大程度压榨了电池包内的每一寸空间。

目前来看,对于高端800V平台车型,只有圆柱4680电池系统与麒麟电池能够正面刚,但是两者到底孰优孰劣?

02

圆柱少数派

全球范围内,坚持将圆柱电芯作为选项之一的大企业,恐怕只有特斯拉。

(1)4680——特斯拉钦点

特斯拉自己制定型号并生产电芯的底气来自于销量和技术。

CleanTechnica数据显示,2021年,特斯拉全球销量93.62万辆,排名第一,市场占比达到14.4%。凭借全球超高的销量和市场占比,特斯拉的选择往往更具规模效应、具备成本优势,成为车企、电池企业主要的跟随对象。

尽管现在的特斯拉,已经应用了大量的方形电池,而且占比越来越大,但是它作为圆柱电池路线的支持者的烙印,相当深刻。

确实,特斯拉在圆柱电池上应用经验丰富。

早期,特斯拉创立之际,市场上并没有动力电池一说。特斯拉选择了工艺颇为成熟的18650圆柱电芯来做动力电池,是迫不得已的选择。

此后,延续18650的圆柱路线,特斯拉又和松下研发了21700电芯,并大量应用,替换了18650。

不可否认,特斯拉在18650和21700电芯的管理方面确实有独到之处,但是面对能量翻了几番的4680,特斯拉是否仍然游刃有余,尚不能确定。

特斯拉选择大圆柱是其技术的延续,也有其议价能量强的基础。

这只是说特斯拉在成组技术层面占有优势。但是在电芯批量制造领域,特斯拉也是个小学生,电芯能造成什么样,尚须持谨慎态度。

另外,我们还要再重复说一次,其实特斯拉自己也用了宁德时代大量的方形电池,而且占比越来越大。

(2)其它企业的选择

与特斯拉不同,其他车企的选择就更多元化一些,但基本都不在圆柱方向。

特别值得一提的是丰田的选择。特斯拉第一款量产的Roadster的模组,就是丰田汽车帮助设计的。

但是丰田自身选择的方向却是方形电池。要知道,丰田电芯的合作对象就是特斯拉电芯的主要供应商、以圆柱电池独步天下的松下电器。但是双方合资的电池企业,泰星能源解决方案有限公司选择的技术方向是方形电芯。

此外,日产、戴姆勒、通用、日产雷诺和沃尔沃等企业偏向于选择软包电芯;大众则推出了标准电芯的策略,采用的也是方形电芯。

中国车企更是方形电芯的主要拥趸,毕竟头部两家电池企业——宁德时代和比亚迪都是做方形电芯的企业。另外,目前引领智能电动汽车行业的新势力头部——蔚小理,以及新能源自主品牌领军者——欧拉、埃安等等也全都是方形电芯。2020年,中国方形电池出货量占比达到80%。

从国际数据方面来看,2020年,方形电池占比也超过49%,软包电池在全球电动车市场占比27.8%。

从现实市场占有率来看,方形电池具备领先优势,三种封装类型也将长期共存。不过,就中国而言,软包电芯的市场占有率相对较低,短期内很难成为主流。

03

4680:尺有所短

在中国,只有圆柱电芯与方形电芯一战。

理论上,圆柱电芯的技术成熟度最高,但实际上相比18650和21700,4680量产难度非常大。

在业内人士看来,尽管特斯拉、松下的小圆柱的经验丰富,但经验基本不可用在4680上,因为4680需要多项创新性技术一同应用,一个掉链子就不行。

一般来说,4680必须要选择全极耳(无极耳)技术,常规单极耳无法解决发热点的问题,而且也不能适应高功率的需求。

首先,量产难度大。

第一个难点是对卷绕机的精度要求更高。毕竟电芯尺寸大了很多,对齐难度也搞了很多。

第二个难点是极耳的焊接技术。目前全极耳生产工艺有切叠法和揉平法。切叠法是特斯拉采用的方案,其主要通过斜切成片卷起,表面起伏度较大,易造成极耳因接触程度不一致而导致内阻一致性差。此外在注入电解液时,由于两端被极耳封闭,不能连续注液生产。

揉平法是中国企业使用较多的一种全极耳方案,通过超声波或机械将极耳揉成端面。极耳在揉平过程中容易产生金属碎屑,导致电芯自放电过大,甚至发生内短路,另外揉平后端面较为致密,电解液难以进入电芯内部。

这些都会成为电芯良品率提升的难题。

其次,空间利用率低。

同等化学体系下,大圆柱电芯的空间利用率要比方形电芯低很多。某电池企业负责人举了一个例子,同样一个电池包,磷酸铁锂大圆柱电芯只能放进入50度电,如果是放方形电芯,可以装到80度电。如果同样用三元材料,方形可以用普通的532或者622的材料,但是4680必须用到高镍,才能有差不多的电量。

高镍三元虽然能量密度高,但也就意味着更高的热失控风险,在系统防护层面,必须多下功夫。

第三,传统方式散热困难。目前圆柱电芯都采用的是侧面冷却。圆柱电芯一般是轴向热传导最快,侧面散热最慢。4680大电芯,这一特点更加明显。800V高压充电下,电芯短时间会积累大量的热,侧面散热速度较慢,长此以往,会对电芯寿命产生较大影响。

特斯拉采用的方式是顶部再加上一块水冷板,实现侧面和顶部双侧冷却的效果。

特斯拉4680冷却方式

第四,如果车企不具备圆柱电池的成组技术,还要靠电池企业制造电池系统,规模效应很难发挥出来。

第五,4680的负极要用硅碳负极,才能体现能量密度提升的意义。但是硅碳负极应有也有缺点。一是成本高;二是副反应多,高膨胀性、首次充放电效率低影响电池质量;三是硅碳负极在硅体积变化影响下,SEI膜反复破坏与重新形成,锂离子被大量消耗,可能会使循环特性和电池容量下降。

4680电芯虽然在能量密度、快充性能等方面有突出优势,但是安全性挑战大,生产难度几何级上升。而且,对于车企来说,圆柱电池的成组难度很高,如果不具备圆柱电池的成组技术,其成本优势很难发挥。

04

单项冠军不如综合冠军

单体表现不错的4680电芯,在成组后似乎还是不及麒麟电池。从宁德时代给出的数据看,圆柱4680系统在能量密度、快充性能、集成度以及导热性能上,与麒麟电池相比,仍然略显不足。

麒麟电池与4680电池系统性能对比

电动汽车发展到今天,已经取得了消费者信任,进入大众化普及阶段。

动力电池面对的需求也发生了新变化:

续航里程达到消费者心理预期,能量密度不再是核心痛点;

充电难依旧部分存在,高端车型对动力电池快充能力需求凸显;

保有量增加,起火事故引发关注,安全性权重逐步上升;

需求增长太快,材料供应安全和供应价格重要性逐步提升。

基于此,针对不同的市场,车企的动力电池选择明显出现了几个趋势:

一是,中低端车型,都开始采用磷酸铁锂电池,甚至考虑钠离子、锰系材料电池,但采取大模组、无模组形式,既能做到较好的系统能量密度,成本和安全性又都很突出。

二是,极少数高端车型(比亚迪,还可能有一些企业跟随)也采用磷酸铁锂电池,主打安全牌。

三是,大部分高端车型,仍然采用三元电池,但是不急于采用高镍化,而是采取中镍、中高镍的材料路线。甚至采取三元和磷酸铁锂混排结构,来实现能量密度和安全性、成本的均衡。

四是,少数高端车型仍然追求高能量密度,以追求长续航或者轻量化。软包、圆柱、三元都有解决方案,但在系统设计和防护方面要付出更高成本。

五是,目前可以大规模商用的电化学体系依旧,结构创新和材料微创新是主流。

这一切都得益于,宁德时代开启的电池系统结构创新之路。

在宁德时代发布CTP技术之前,电池企业提升能量密度的方式只是在电芯大小、材料体系等方面进行挖掘。但材料体系的更迭是一个非常缓慢的过程,需要不断改良配方,以平衡电芯的各项性能,动辄需要几年甚至十几年时间的研发才能成熟。

但是宁德时代电池包结构简化则开辟了一条创新路径:一是,能量密度提升更高。可以在不改变电芯材料的基础上,通过简化结构就能大幅提升电池包的能量密度,难度相对更低,电池能量密度迭代速度更快。

二是,相对安全。相比电芯本身通过提升镍含量来提升能量密度,电芯的稳定性得到保证,电池系统的安全性也在一定程度上得到提升。

跟随着宁德时代的步伐,比亚迪、国轩高科、中创新航等一大批企业都陆续推出了其结构简化的电池包产品,引领了整个行业的创新。中国电池企业迅速将整车电池包能量密度推到200Wh/kg,纯电动汽车的续驶里程得到大幅提升,无疑对加速动汽车的普及起到推动作用。

2022年,宁德时代推出再次刷新记录的CTP3.0电池包,将中国纯电动汽车续驶里程轻松推到了1000公里,有效解决了电动汽车冬季续航短、续驶里程焦虑的问题,并有利于延长电池循环寿命。

宁德时代CTC技术能够达到的效果,似乎更值得期待了。

本文由 电动汽车观察家 作者:邱, 锴俊 发表,其版权均为 电动汽车观察家 所有,文章内容系作者个人观点,不代表 电动汽车观察家 对观点赞同或支持。如需转载,请注明文章来源。
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