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电池性能各种看不上?下一代电池离咱不远了,这家公司希望做时代开创者

2019-07-10 10:35

来自 :电动邦

作者 :邦老师

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7月9日,邦老师在保定参加了 “蜂巢能源”的品牌及战略发布会,这是长城汽车旗下一家专攻动力电池技术的品牌,去之前邦老师就想,作为一家电池企业和在车企背后的供应商,相比于宁德时代、比亚迪、国轩高科这样的老牌大厂,它有什么优势值得关注呢?

连技术宣讲带参考,一天下来,干货满满,见多识广的邦老师也不禁感慨,难怪长城车型航价比这么高,这家“新生”电池其实压根儿就是“老炮”,而且在技术研发和创新方向选择上还挺有料,本文略长,前方高能预警,对干货感兴趣的同学且听邦老师慢慢道来。

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■  蜂巢能源的身世背景

首先还是要先交待下“蜂巢”的背景:

蜂巢新能源科技有限公司的前身是长城汽车动力电池事业部,该部门自2012年起开展电芯预研工作,2016年12月成立动力电池事业部,2018年2月独立为蜂巢新能源科技有限公司。蜂巢的中公司位于江苏省常州市,并在全球设有7个研发中心(分布在中、日、韩、美、印)和6个制造基地(中、欧、北美)。此次邦老师“惠临”的保定研发中心,占地106亩,投资10亿元,是现阶段主要的研发基地。

蜂巢的研发方向,包含下一代电池材料、电芯、模组、电池系统、BMS、储能系统和太阳能技术。在其目前的1750名员工中,研发人员达到1030人,欧美日韩印专家都有。2017年至今,已投入研发费用7亿多元,按规划,到2020年研发投入约30亿元,到2025年全球工厂建设计划投入超260亿元。2025年国内规划产能达到76GWh,在全球达到100GWh。

至于为何要脱离长城汽车独立经营?邦老师理解,在WEY和欧拉品牌下推出了三款新能源车型后,基于时代大潮和广阔市场需求推动,蜂巢的诞生也是水到渠成的事,并且不能只限于服务长城汽车,积极开拓外部客户和全球客户成为必然,蜂巢的目标不但要独立发展,也要独立上市。

蜂巢自诩为“最懂汽车的电池专家”和“叠时代开拓者”,前者不难理解,因为其基因首先是造车者,后者就有意思了,如何理解我们后面逐渐展开。

■  蜂巢有什么看家本领?(关键技术方向)

该如何理解和总结蜂巢的技术方向呢?其实概念上也很好总结,那就是:

高速叠片方形铝壳电池为重点,软包电池为辅,不做圆柱形电芯。

其中高速叠片是工艺,方形和软包是我们熟悉的电芯形态。基于整车行业平台化发展和电池安全至上的大趋势,蜂巢选择了以方形形态为主,软包为辅,放弃了更多用于定制化路线且管理难度更大的圆柱电芯。

此外,蜂巢在其未来技术路线中还规划了无钴、四元两种特殊材料构成和固态电池的发展方向。

也就是说,重中之重,首先在于工艺路线的选择,其次才是材料,包括正极材料(无钴和四元)以及电解质(固态)的选择。叠片工艺、无钴材料、四元材料——理解这3个概念,基本上就知道蜂巢的斤两和技术路线了。下面我们逐一解释:

1高速叠片工艺

要理解叠片工艺,首先要知道锂电池的生产工艺流程,邦老师这里暂且将其简化为以下几步;

1)制浆

2)涂布

3)分切

4)卷绕/叠片

5)组装

6)注液

我们能看到,在分切和组装之间的工序,卷绕和叠片是两个分支选项:二者都是针对正负极片和隔膜的组合工艺。其中卷绕工艺是当下普遍采用的“成熟工艺”,普及度和成熟度非常高,但蜂巢认为,没有划时代的变革,仅基于现有卷绕工艺的改善,很难满足电动汽车的进一步发展需求。因此决定率先攻克和引领叠片路线,在全球范围内首推方形铝壳电芯,高速叠片工艺。

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▲卷绕和叠片工艺流程的异同。

首先,叠片工艺相较于卷绕工艺有多种好处,邦老师总结为以下4点:

1).能量密度:卷绕工艺由于其工艺特性,空间利用率不足,所以能量密度不如叠片工艺(差距大约5%)。如下图:

2).结构稳定性:循环使用过程中,正负极片会有膨胀,而卷绕拐角处的内外层内应力不一致,导致卷绕的电芯会发生波浪状变形,导致电流分布不均,加速了内部结构的更加不稳定。叠片的电芯不存在拐角内应力,每层膨胀相近,故可保持平整界面良好。

3)安全性:卷绕方形电池的绝缘结构过于繁杂,在循环过程中也是由于膨胀的发生,拐角处内应力受束缚无法释放,易发生断裂,导致脱粉,毛刺会造成内部短路,引起热失控;叠片工艺则不存在相应的应力问题。

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4).循环寿命:同设计体系下,叠片工艺比卷绕工艺的电池极耳数多近一倍,其电芯内阻会小10%以上,电芯产热小,对寿命影响就小。卷绕电芯变形和膨胀更严重,影响电芯衰减性能,同设计下叠片工艺循环寿命高10%。循环膨胀预计低40%以上。

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除去以上,成本方面,叠片工艺的前景也更好,原因我们可以简单理解为卷绕工艺更“废料”就好了。但是问题来了,既然叠片有这么多好处为何,为何当下确实“卷绕”大行其道?这里就需要解释下生产工艺和“高速”的概念了。

所谓的高速叠片工艺,指的是自动化完成叠片工序流程的工艺,这个速度高低对应的自然是生产效率,更多是相对于卷绕工艺而言。目前蜂巢已完成行业首例45 度旋转式高速叠片的开发与导入使用,叠片效率以单工位计,可达0.6秒/片。并且目前已完成0.45秒/片叠片速度验证与样机的开发制作(第2代),未来2023 年预计可实现0.25秒/片单工位叠片设备开发(第3代),彼时,高速叠片工艺即可达到和主流卷绕工艺相当的生产效率。目前涉及第3代设备的申报专利达10 多项,已实现从专利布局到设备开发的无缝对接。

▲第一代叠片机为合作开发,二代三代都将拥有自主知识产权。

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▲蜂巢的高速叠片机

2 新材料——无钴正极材料NMx

作为三元锂电池的正极材料之一,钴由于其稀缺性,成为战略性的稀有金属资源。全球66%的钴产量都出自政局不稳定的刚果(金),导致其储量有限、价格攀升,成为新能源汽车发展的掣肘。而钴材料在其中的作用,主要在于保持化学结构稳定性不出问题。受市场驱动及严峻形势的影响,蜂巢正在积极研发无钴正极材料,相比当下流行的高镍路线(如NCM811),性能相近,而材料成本显著减低10-15%(取决于钴价波动),可完全摆脱正极材料对钴的依赖,相关产品蜂巢计划于2020年第二季度实现量产。

3 新材料——四元材料NCMA

基于电动汽车对能量密度的“无止境追求”,NCA和 NCM早晚要走到尽头。NCMA四元材料的做法,是在高镍三元的基础上增加铝元素,同时改变石墨负极的常规做法,增加硅碳层,使得负极嵌入和脱出离子的能力以及在高倍率充放电时枝晶产生的概率大大降低。据介绍,相较于NCM811材料,该四元材料动力电池的容量更高、寿命更长、安全性更好,最终呈现在动力电池上就是容量更高、寿命更长、安全性更好。相关产品蜂巢计划于 2020年第二季度实现量产。

■  目前有哪些产品?

目前,蜂巢能源能够量产的最先进动力电池产品仍是NCM811材料电池。有意思的是蜂巢高速叠片电池的分类方式,蜂巢按“场景化”的方式将其分为3类,具体为:定位城际出行的“丰巢”,定位营运共享的“固巢”,定位短途代步的“智巢”。

1.在运营场景下,蜂巢能源开发了86Ah电芯和172Ah模组,模组能量密度达210Wh/kg,可保证运营车型里程在400km以上,实现2C快充,实现充电时长在 30min以内,电芯寿命超2500次,可以保证整车质保达到5年50万的要求,符合出租网约车日常使用场景,并解决无后顾之忧。

2.对于短途市内代步场景,蜂巢能源选择以软包电池切入,与复星旗下捷威动力共同组建软包电芯产线,打造低成本高能量密度三元软包56Ah电芯,电芯能量密度可达260wh/kg,同时兼顾快充性能,适配VDA标准尺寸模组。该款电芯和模组主要针对市内代步短里程A00车型,提升续驶里程至350km,有效降低整车能耗。

3.针对城际出行,蜂巢能源基于不同的产品定位又做了进一步细分,对于高端PHEV车型、A级家用车和高端豪华车三个细分领域做了产品开发:

a) 对于城际出行场景下的A级家用车,蜂巢能源采用了与运营版相同尺寸的92Ah 811三元材料体系电芯,可使主流A级车型将续驶里程从400km提升至500km,大大降低用户 “里程焦虑”,消除高速路行驶隐患,进一步接近传统燃油车使用场景。

b) 在高端豪华车型上,蜂巢能源开发了811体系的电芯,负极升级为硅碳后,电芯容量可达 137Ah,单体能量密度可以达到165wh/kg,搭配柔性化大模组,可适配B级以上高端豪华性能车型,续驶里程可达到500km。

   c) 在高端PHEV车型上,蜂巢能源采用51Ah PHEV电芯,模组可使插电式混合动力车型纯电续驶里程从50km提升至80km,同时,基于叠片电芯超高的功率特性及循环寿命确保在加速、低温等更加优异的用户体验。未来,该产品将配套长城旗下WEY P8等车型。

针对纯电动平台化的需求,蜂巢能源开发了156Ah和117Ah全新标准尺寸电芯及大模组,单体能量密度达255Wh/kg,在pack上,可根据车型轴调整模组用量,拓展性极强,整车可覆盖A0~D级轿车、SUVMPV等,续驶里程400~600km,可实现对燃油车的取代。

具体性能取向和产品类型,看下面几张图就大概明白了。

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▲强调循环寿命、充电速度的运营需求。

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▲市内代步需求强调成本和能量密度。

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▲城际出行需求强调放电性能和循环寿命。

另据数据,2019年5月,蜂巢能源PACK装机量为207.9MWh,环比增长1305%,排名国内第6位。装车量为607 8辆,为长城汽车提供配套。此外,蜂巢能源还在与宝马和PSA进行业务洽谈,我们也在参观实验室时看到了部分正在验证的电池PACK产品。

■  邦点评

作为一家电池和科技公司,蜂巢的愿景是“让人类可以轻松获得和使用可持续的能源。”品牌主张是“因创新而前进”,其核心在于创新。其总经理杨红新解释的很坦诚:“当下国内的电池市场已形成“市场寡头效应“,排名前两家的电池企业市占率约占80%,而蜂巢正式诞生和投产的时间,是处于后补贴时代,上来就要以市场规则生存和竞争,所以我们看到,蜂巢瞄准的更多是下一代的材料和技术。

仅单方面宣讲显然不足以证明自身的正确性和领先性,这一点蜂巢经过调研,包括宁德时代和日韩头部电池企业在内,都不约而同的规划了叠片工艺路线,只不过都是在未来几年以后。借此时代契机打一场时间和空间的错位战,这也许就是蜂巢能源“叠时代开拓者”的底气所在。

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