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21年專注鋰電池定制

蜂巢能源的無(wú)鈷前瞻與行動(dòng),改變電池游戲規(guī)則

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:777次  |  2020年05月27日  

當(dāng)補(bǔ)貼逐漸失去效用,電動(dòng)汽車進(jìn)入價(jià)格戰(zhàn)時(shí),整車和動(dòng)力鋰電池都出現(xiàn)了一些新動(dòng)向:


比亞迪漢EV600km,小鵬P7706km,威馬Maven概念車800km中高端電動(dòng)汽車的長(zhǎng)續(xù)航牌在新車上體現(xiàn)的淋漓盡致。


整車?yán)m(xù)航競(jìng)爭(zhēng)的核心是動(dòng)力鋰電池。


蜂巢能源、特斯拉的無(wú)鈷電池和CTP方法,比亞迪的刀片電池結(jié)構(gòu)這些近日炒得火熱的動(dòng)力鋰電池新概念,成就整車的長(zhǎng)續(xù)航、降本和安全,成為整車競(jìng)爭(zhēng)的核心之一。


不是少鈷,而是真0鈷


無(wú)鈷電池的概念在近幾年一直是各大電池廠的口頭熱詞。基本上,電池廠都認(rèn)可,動(dòng)力鋰電池少鈷化或者無(wú)鈷化,是行業(yè)技術(shù)一大趨勢(shì),也是必然。


今年,出現(xiàn)了一些無(wú)鈷電池商業(yè)上的炒作,將無(wú)鈷電池與磷酸鐵鋰離子電池劃等號(hào)的說(shuō)法。這無(wú)疑是玩了一把文字游戲,倒回去找方法。


從正極材料源頭直面無(wú)鈷問題,特斯拉、蜂巢能源采取的方法是從少鈷走到0鈷。


少鈷電池包含高鎳三元NCM811,NCM90,以及四元電池NCMA。不少電池廠都為如何實(shí)現(xiàn)無(wú)鈷電池的量產(chǎn)殫精竭慮。


特斯拉低鈷(3%)材料已量產(chǎn),用于Model3。第二代無(wú)鈷材料也在加快開發(fā),預(yù)計(jì)未來(lái)兩年內(nèi)應(yīng)用到電芯中。


蜂巢能源與LG化學(xué)采取的少鈷電池策略是將NCM和NCA相結(jié)合,即將鋁摻雜到原始NCM電池正極材料中,開發(fā)NCMA四元電池,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。


接下來(lái),蜂巢的無(wú)鈷電池將于2021年SOP,將正極材料中的鈷含量減到0,徹底去除鈷。


從少鈷到無(wú)鈷的開發(fā),電池公司和主機(jī)廠都在一點(diǎn)點(diǎn)試探鈷含量的底線,確保新電池能夠在拔高性能時(shí)盡可能地平衡能量密度、安全、壽命和成本。


鈷元素在正極材料中重要有兩大用途:1、減少鋰鎳混排;2、抑制充放電過程中的相變,提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。


假如減少鈷的用量,提高鎳的含量,會(huì)導(dǎo)致鋰鎳混排,從而造成鋰的析出,并且無(wú)法抑制鎳的相變,降低循環(huán)性能。因此,鈷含量少的NCM811電池有著安全性差及循環(huán)壽命衰減較快的問題。


于是,電池公司在高鎳三元電池中摻入第四元素,它使得晶粒之間的邊界強(qiáng)度增強(qiáng),減少了有害相變轉(zhuǎn)變的微隙,讓材料結(jié)構(gòu)和反應(yīng)變得更加穩(wěn)定。


這是否意味著,考慮到鈷在減少鋰鎳混排上的關(guān)鍵用途,它仍是高鎳動(dòng)力鋰電池的必須元素呢?


特斯拉JefferyDahn研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),高鎳含鈷電池中少量的鈷用途很小,或幾乎沒有。


Dahn團(tuán)隊(duì)研究了摻雜Al、Co、Mn、Mg(摻雜量為0.05和0.1)對(duì)鎳酸鋰電化學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性的影響。


實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:1、用Al和Mg替代Co元素同樣能夠獲得非常低的Li/Ni混排率,這表明Co元素關(guān)于抑制Li/Ni混排并不是必須的;2、摻雜Mg和Al都能抑制高鎳材料的H2-H3相變,從而改善循環(huán)壽命;3、摻雜Mg和Al、Mn的無(wú)鈷高鎳材料可以抑制正極和電解液的副反應(yīng),安全性也好于高鎳含鈷材料。


也就是說(shuō),找到改善無(wú)鈷層狀材料的鎳鋰離子混排問題以及循環(huán)壽命,實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵穩(wěn)定的技術(shù),可以完全無(wú)鈷。


無(wú)鈷電池開發(fā)到了什么程度?


現(xiàn)在,蜂巢能源、特斯拉正在將無(wú)鈷電池從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。兩相比較之下,特斯拉多在理論階段,且有讓步的打算,蜂巢的無(wú)鈷產(chǎn)品經(jīng)過安全測(cè)試,兩款產(chǎn)品將于明年SOP。


特斯拉CEO馬斯克2018年在推特上宣示,下一代動(dòng)力鋰電池將是無(wú)鈷電池。此后它在采用少鈷的NCA電池時(shí),內(nèi)部展開Roadrunner項(xiàng)目,與學(xué)術(shù)動(dòng)力鋰電池研究團(tuán)隊(duì)合作探索不同高鎳-摻雜體系下的正極材料。


今年二月,路透社一篇有關(guān)特斯拉采用寧德時(shí)代無(wú)鈷電池的報(bào)道,立刻吸引了行業(yè)的關(guān)注。經(jīng)過挖掘,它采用的是后者的磷酸鐵鋰離子電池,真正的無(wú)鈷電池將在其五月份電池日上公布。


然而,近日路透社的另一篇報(bào)道似乎暗示著特斯拉電池日不會(huì)公布無(wú)鈷電池,重點(diǎn)將為基于NCM523的長(zhǎng)壽命電池??紤]到鈷材料的回收,特斯拉延遲無(wú)鈷電池的公布。


若消息屬實(shí),無(wú)鈷電池的研發(fā)和量產(chǎn)很有可能將始于蜂巢能源。


蜂巢的無(wú)鈷電池建立在探索、發(fā)展了20年的鎳錳酸鋰材料上。


早在2000年,T.Ohzuku等學(xué)者就發(fā)表了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的層狀材料LiNi0.5Mn0.5O2的文章,從理論上證明了鎳錳酸鋰是一種有前景的材料。


Ohzuku教授是鋰電領(lǐng)域的大師,在NCM111、鈦酸鋰、錳酸鋰以及上文提到的鎳錳酸鋰等電池技術(shù)上都有重大貢獻(xiàn)。


2001年首次制備出鎳錳酸鋰的Ohzuku發(fā)現(xiàn),該電池在2.5~4.5V之間約有200mAh/g的比容量(與NCM811相當(dāng))。不足在于它存在8%~10%的鋰鎳混排;循環(huán)性能不夠理想,要在高電壓下充放電。


因此,解決無(wú)鈷層狀材料的鎳鋰離子混排以及循環(huán)壽命問題,關(guān)系到無(wú)鈷電池何時(shí)能夠商業(yè)化。


蜂巢能源通過三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)出無(wú)鈷電池:1、陽(yáng)離子摻雜技術(shù);2、單晶技術(shù);3、納米網(wǎng)絡(luò)化包覆。


摻雜和包裹等改性措施,關(guān)于動(dòng)力鋰電池減少鋰鎳混排、提升材料穩(wěn)定性不可或缺。單晶材料更耐壓,壽命更長(zhǎng)久。


首先,摻雜技術(shù),促使過往二元電池、三元電池、四元電池的誕生。鈷和錳摻雜到鎳酸鋰離子電池中出現(xiàn)NCM和NCA三元電池,NCMA就是鋁對(duì)NCM的摻雜。從材料體系上看,無(wú)鈷電池使高鎳三元徹底背棄傳統(tǒng)三元的體系,回到二元電池時(shí)代。


通過陽(yáng)離子摻雜技術(shù),蜂巢可提高材料的上限電壓,實(shí)現(xiàn)能量密度比磷酸鐵鋰離子電池提高40%。


蜂巢采用了兩種化學(xué)鍵能更大的元素,替代鈷,摻雜到材料中。通過強(qiáng)化學(xué)鍵穩(wěn)定氧八面體結(jié)構(gòu),該技術(shù)減少鋰鎳混排,大幅改善了材料的穩(wěn)定性,可以在4.3-4.35V電壓下穩(wěn)定工作,使能量密度提高,成本降低。


單晶技術(shù)可以改善電池的安全性和壽命。與多晶相比,單晶技術(shù)顆粒強(qiáng)度更高,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,耐壓力強(qiáng)度可以提高10倍。


電池在極片制作過程中,為了在有限的殼體空間內(nèi)加入更多的活性材料,要經(jīng)過高強(qiáng)度輥壓。在測(cè)試中可以清楚地看到,多晶材料在輥壓過程中,顆粒破碎明顯,會(huì)直接導(dǎo)致正極與電解液反應(yīng),出現(xiàn)大量氣體,造成電池壽命加速衰減和出現(xiàn)安全問題;同時(shí)材料的結(jié)構(gòu)崩塌,使鋰離子無(wú)法移動(dòng),造成壽命快速衰減。


而單晶卻非常穩(wěn)定。正是這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),為無(wú)鈷材料帶來(lái)超長(zhǎng)的使用壽命,電芯壽命可以比多晶高鎳三元高出70%。


納米網(wǎng)絡(luò)化包覆,自然界中三角網(wǎng)絡(luò)是韌性最高的結(jié)構(gòu)。蜂巢在無(wú)鈷材料的合成過程中采用此包覆技術(shù),在單晶表面包覆一層納米氧化物,可以減少正極材料與電解液的副反應(yīng)。該技術(shù)有效地改善高電壓下的材料循環(huán)性能。


當(dāng)前,蜂巢的無(wú)鈷材料已完成百公斤級(jí)試產(chǎn),采用該無(wú)鈷材料的電芯產(chǎn)品同步開發(fā)中,能量密度達(dá)到240~245Wh/kg。


第一款無(wú)鈷產(chǎn)品是115Ah,能量密度達(dá)到245wh/kg。它能夠匹配590標(biāo)準(zhǔn)模組,能夠搭載到目前大部分新的純電平臺(tái)上,這款產(chǎn)品的電池包在整車端,能夠?qū)崿F(xiàn)15年120萬(wàn)公里的質(zhì)保。它將在2021年六月份推向市場(chǎng)。


第二款產(chǎn)品是L6薄片無(wú)鈷長(zhǎng)電芯,容量226Ah,能量密度達(dá)到240Wh/kg。這款電池正在與長(zhǎng)城汽車的一款高端車型做適配開發(fā),預(yù)計(jì)在2021年下半年推向市場(chǎng)。


蜂巢能源總裁楊紅新表示,這款無(wú)鈷電池通過了國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)的全部安全性測(cè)試。結(jié)果表明,通過材料摻雜、單晶技術(shù)和納米網(wǎng)絡(luò)化包裹,蜂巢的無(wú)鈷電池在能量密度與高鎳三元相當(dāng),使用壽命和安全性高于高鎳三元。


長(zhǎng)電芯在制造中更考驗(yàn)制造工藝。在長(zhǎng)電芯的制造過程中,疊片工藝比卷繞工藝更加有優(yōu)勢(shì)。蜂巢能源已經(jīng)順利投產(chǎn)的車規(guī)級(jí)AI智能廠一期項(xiàng)目,已經(jīng)成熟掌握了高速疊片工藝技術(shù),已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)L6疊片長(zhǎng)電芯的高效率大批量生產(chǎn)。


電池研發(fā)不是自嗨,而要真實(shí)可用


BEV乘用車選擇何種電池,是基于定位而定。近兩年OEM公布或上市的新車在推廣時(shí)大多具有幾個(gè)特點(diǎn):平臺(tái)化,長(zhǎng)續(xù)航里程,高安全,價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。


平臺(tái)化要求動(dòng)力鋰電池能夠最大程度地兼容到現(xiàn)有電動(dòng)汽車平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)最大化的通用性。


楊紅新表示,蜂巢分析當(dāng)前市場(chǎng)上的主銷車型寬度后發(fā)現(xiàn),主流的A0級(jí)、A級(jí)以及B級(jí)以上的平臺(tái)適用于長(zhǎng)度在1150mm-1300mm的長(zhǎng)電芯。假如按照1米或1米以上的長(zhǎng)度做電芯,勢(shì)必會(huì)顧此失彼,某款車可能匹配較好,另外一些或者裝不下,或者空間不能足夠得到利用,這就違背了提高空間利用率的初衷。也就是說(shuō),過長(zhǎng)的尺寸會(huì)降低對(duì)市場(chǎng)主流乘用車的適配性和靈活性。


經(jīng)測(cè)算,600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸,似乎可以覆蓋到市場(chǎng)上主銷的80%的車型的需求。


長(zhǎng)而薄的600mm左右的電芯可以裝配在矩陣網(wǎng)格中,規(guī)則排列組成大型矩陣模塊,矩陣之間相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立,正常工況時(shí)能夠保證整個(gè)矩陣模塊的剛度,非常規(guī)極端工況下,比如側(cè)碰,則能夠通過多個(gè)電芯分散撞擊力,保證整體安全。


矩陣式PACK設(shè)計(jì)也和之前使用590模組的平臺(tái)具有很好的兼容切換性,主機(jī)廠可以不做額外的修改和變更。


單晶無(wú)鈷電芯與矩陣式PACK設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)整車?yán)m(xù)駛里程達(dá)880公里。以長(zhǎng)城B級(jí)車為例,在L6無(wú)鈷電池和無(wú)模組方法的用途下,它的電量可以達(dá)到135度電,續(xù)航里程880公里,是國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航最長(zhǎng)的車型。


為了解決消費(fèi)者的續(xù)航焦慮,車企自2019年下半年推出的新車新增了550公里以上續(xù)航的版本。今年尤其瘋狂,600公里續(xù)航的新車變得普遍,700公里或800公里續(xù)航的新車接二連三到來(lái)。


動(dòng)力鋰電池必須撐得起主機(jī)廠的長(zhǎng)續(xù)航需求。很明顯,蜂巢的無(wú)鈷電池瞄準(zhǔn)了主機(jī)廠的此類需求。它與高鎳三元CTP電池、四元電池可以成為續(xù)航在600km以上緊湊型和中大型車的主流電池選擇。


長(zhǎng)續(xù)航之外,電動(dòng)汽車不僅要與其他電動(dòng)汽車比拼價(jià)格,更要與燃油車拼價(jià)格。占電動(dòng)汽車總成本四成的動(dòng)力鋰電池,自然也就成為降本重點(diǎn)對(duì)象。


電池公司重要從材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新兩方面降成本,在正極材料去鈷,無(wú)模組設(shè)計(jì)提高成組效率。


探索無(wú)鈷方法,最重要的原因就是降本。電芯整體成本中,原材料成本占據(jù)很大比例,特別是正極材料占到整個(gè)材料成本的40%。大力發(fā)展和推廣降低成本的正極材料,也就成為降低電池成本的重中之重。


無(wú)鈷技術(shù)的實(shí)現(xiàn),可使電芯成本下降10-15%,完全擺脫正極材料對(duì)鈷的依賴。同時(shí),無(wú)鈷材料電池還防止了材料受戰(zhàn)略資源影響情況的出現(xiàn)。


楊紅新解釋稱,無(wú)模組矩陣式PACK設(shè)計(jì)能夠降低PACK非增值件的重量,在保證安全性的前提下能夠做到80%的成組效率(傳統(tǒng)模組的PACK水平在72%,VDA電芯CTP做到75%)。


當(dāng)新電池技術(shù)處處為整車開發(fā)和應(yīng)用考慮,它才能讓主機(jī)廠發(fā)揮出電動(dòng)汽車平臺(tái)的最大效益。


有業(yè)內(nèi)人士曾評(píng)價(jià)當(dāng)前推出的動(dòng)力鋰電池新方法,動(dòng)力鋰電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件,是否能成為主流趨勢(shì)重要取決于下游整車客戶是否會(huì)大規(guī)模采用。


讓電池適用于車,適用于已經(jīng)定型或正在定型的電動(dòng)汽車平臺(tái),而非車適用于電池。


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