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结构化改进电池包:三元锂电扳回一局
浏览: 发布日期:2021-03-17

        不过,2020年这种状况发生了逆转。磷酸铁锂电池在国内的装车量增速,开始超过三元锂电池,重新夺回市占率。

        有人甚至预测,2021年磷酸铁锂电池的市占率,可能会超过三元锂电池,重新成为新能源汽车市场的主角。

        但这是预设了三元锂电池没有重大突破的前提下做出的。动力电池是新能源汽车的关键部件,全球有大量的专家都在实验室进行研究,技术每天都在进步。

        果然,刚过完春节,三元锂电池就有了重大突破。广汽埃安发布新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术(简称“弹匣电池”),行业首次实现了三元锂电池整包针刺不起火,攻克了公认的行业难题,重新定义三元锂电池安全标准。

        逻辑很简单,磷酸铁锂相对于三元锂电池,最大的优势是安全性能,而广汽埃安的弹匣电池,最大的突破就是安全性。用一根比铅笔还粗的钢针进行针刺,电池包都不会起火。

        三元锂电和磷酸铁锂的市场之争,再次放到了一个新起点。广汽埃安在发布弹匣电池时称,根据当前市场实际使用情况来看,磷酸铁锂电池、三元锂电池两种技术路线,在未来很长一段时间内仍将并行发展。

01.谁唱主角?

        磷酸铁锂电池因为寿命更长、成本更低,在中低续航车型中得到广泛的应用;而三元锂电池因为能量密度高、整车电耗低,主要在中高续航车型中应用。

        在2019年之前,因为国家补贴新能源汽车对续航里程有要求,所以能量密度更高的三元锂电一路过关斩将,市占率不断攀升,将磷酸铁锂电池甩在后面,成为市场主流。

        根据高工锂电统计信息,2019年动力电池的装机量,三元电池装机量约38.39GWh,同比增长25%,占比约61.5%,占比提升 7.7%;磷磷酸铁锂电池装机量约为19.98GWh,同比下滑7%,占比32%,占比下滑5.8%。

        但在2019年底和2020年初,国内两大锂电池巨头宁德时代和比亚迪,分别对磷酸铁锂电池包进行了结构化改进,提升了能量密度,降低成本。磷酸铁锂相对于三元锂电池的竞争优势,大幅度提升。

        宁德时代推出了CTP 技术的磷酸铁锂电池,加强集成来提升能量密度。简而言之就是简化模组结构,取消顶板、侧板等零部件优化排列。

         据宁德时代的数据显示,使用CTP技术后,电池包零部件数量减少40%,同时省去了组装环节,降低了电池成本。但是利用率提高了15%-20%,生产效率提升了50%,能量密度提升了10%-15%,可达到200Wh/kg以上。

 

        不久后的2020年初,比亚迪推出刀片电池。长96厘米、宽9厘米、高1.35厘米的单体电池,通过阵列的方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池包里面,在成组时跳过模组和梁,减少了冗余零部件后,形成类似蜂窝铝板的结构等等——刀片电池通过一系列的结构创新,实现了电池的超级强度的同时,电池包的安全性能大幅提升,体积利用率也提升了50%以上。

         市场格局很快改变,很多车企开始重新采购磷酸铁锂电池。充电联盟数据显示,2020年,我国动力电池装车量累计达63.6GWh,累计增长2.3%。其中三元锂电池装车量累计达38.9GWh,占总装车量的61.1%,累计下降4.1%;磷酸铁锂电池装车量累计达24.4GWh,占总装车量的38.3%,累计增长20.6%。

        磷酸铁锂电池开始挤压三元锂电池的市场,占有率一降一升很明显。

        这种状况还在持续,今年1月的动力电池装车量中,磷酸铁锂电池和三元锂电池的装车量分别为3.3GWh和5.4GWh,同比分别提升349.8%和241.9%。

        比亚迪一直是磷酸铁锂的支持者,同时,此前采用三元锂电池的特斯拉,去年开始在低配的Model 3中采用宁德时代的磷酸铁锂电池;今年3月,小鹏汽车也宣布,新推出磷酸铁锂电池版的P7。

        电池配方并没有大的变化,还是此前的系列。磷酸铁锂电池在这一轮市场竞争中,快速上升的原因是,通过对电池模组的结构改进,规避了其能力密度低的缺点,将成本低、安全性能高等优点发挥到了最大。

02.结构化改进

        不过,结构的改进既然可以发生在磷酸铁锂电池上,那么同样也可以发生在三元锂电上。

        基于“防止电芯内短路,短路后防止热失控,以及热失控后防止热蔓延”的设计思路,广汽埃安的弹匣电池采用类似安全舱的设计,有效阻隔热失控电芯的蔓延、当侦测到电芯电压或温度等出现异常时,自动启动电池速冷降温系统为电池降温。

根据广汽埃安公布的资料,弹匣电池具备四大核心技术:

超高耐热稳定的电芯。电芯通过正极材料的纳米级包覆及掺杂技术的应用,能有效提升热稳定性,防止热失控;电解液新型添加剂的应用实现了SEI膜的自修复,从而改善电芯寿命,降低电芯短路风险;高安全电解液,通过特殊电解液添加剂,在加热至120℃以上时,在活性材料表面自发聚合形成高阻抗特性聚合物膜,大幅降低热失控反应产热。这些关键技术的应用,使电芯的耐热温度提升了30%。

 

超强隔热的电池安全舱。通过网状纳米孔隔热材料和耐高温上壳体,弹匣电池构筑了超强隔热的安全舱,最终实现三元锂电芯热失控不蔓延至相邻电芯。同时,电池包上壳体能耐温1400℃以上,从而有效保护电池整包。

极速降温的速冷系统。通过全贴合液冷系统、高速散热通道、高精准的导热路径的设计,弹匣电池实现了散热面积提升40%,散热效率提升30%,有效防止热蔓延。

全时管控的第五代电池管理系统。通过采用车规级最新一代电池管理系统芯片,可实现每秒10次全天候数据采集,相比前代系统提升100倍,以24小时全覆盖的全时巡逻模式,对电池状态进行监测。发现异常时,立即启动电池速冷系统为电池降温。

        实际上,弹匣电池也不是一种新配方电池,而是通过对电池包进行体系性的升级,从结构到软件,解决三元锂电的核心痛点,特别是提高了安全性。
本质上,它的技术思路和CPT、刀片电池是一样的,只不过,它进行结构优化的主体是三元锂电池。

         这种优化效果很明显,对搭载了弹匣电池进行针刺热扩散试验的结果显示,广汽埃安的三元锂(弹匣电池)整包在试验过程中热事故信号发出5分钟后,仅出现短暂冒烟,无起火和爆炸现象。静置48小时后,电压降至0V,温度恢复至室温。针刺后只有被刺电芯模块热失控,没有蔓延到其他电芯。打开电池整包,观察内部结构完好。

         这是行业首次通过三元锂电池整包针刺不起火试验,三元锂电池安全性取得了历史性的突破。

        特斯拉的核心竞争力之一,是有一套先进的动力电池管理系统。但广汽埃安认为,单有一套电池管理系统还不够,需要从硬软件两个方面,对电池包进行更优化的管理。

        所以,即便是特斯拉,也不敢做三元锂电池整包针刺不起火的试验。远在美国的马斯克,不久前说全球的竞争对手,主要在中国。其中中国车企在电池技术上的进步,令其很焦虑。

        同时,搭载弹匣电池系统安全技术的电池包,相对于同类普通电池包,体积能量密度提升9.4%,重量能量密度提升5.7%,成本下降10%。弹匣电池是在没有牺牲续航和提高成本的基础上,实现了高安全、长续航、低成本。

 

        换句话说,弹匣电池将三元锂电的优势发挥得更大,劣势尽可能缩小了。因此,它再次将三元锂电和磷酸铁锂电池的竞争,拖入到了一个新战场,短期内胜负难辨。


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