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楊紅新:疊片工藝+無鈷技術(shù)是動力鋰電池未來趨勢

鉅大LARGE  |  點擊量:557次  |  2023年01月10日  

八月11-十三日,以冬芽為主題的第12屆我國汽車藍皮書論壇在武漢舉辦。為期3天的會議期間,眾多重量級汽車行業(yè)人士圍繞著23個討論議題進行演講和對話。


現(xiàn)場,蜂巢能源總裁楊紅新對動力鋰電池格局和未來技術(shù)發(fā)展路線進行了分析。他表示,疊片工藝和低鈷和無鈷已經(jīng)成為了電池發(fā)展的趨勢。


在他看來,鈷的儲量小且集中,只有710萬噸并把控有限的幾家制造生產(chǎn),特別容易控。鈷這個問題不消除,不符合未來電動汽車發(fā)展的趨勢。


同時無鈷內(nèi)阻偏高,假如把疊片技術(shù)用上,可以再降低它5%的內(nèi)阻,所以疊片加無鈷這兩種技術(shù)的結(jié)合,既可以發(fā)揮無鈷的優(yōu)勢,又能解決無鈷的痛點。


疊片和無鈷,一個是工藝制造角度,一個是材料成本和安全性角度,這是基礎(chǔ)性的未來趨勢,可以滿足對成本,對效率、對功率、對壽命各方面的要求。明年六月份,蜂巢能源將會把無鈷電芯推向市場,并進行裝車銷售。

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充電溫度:0~45℃
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最后他指出,電池公司和整車公司關(guān)于電池機理的了解仍然比較膚淺。電芯到底為何突然會自燃?為何會突然熱失控?機理是什么?我們現(xiàn)在都沒有辦法完全弄清楚。


以下為演講部分實錄:


大家下午好,我是蜂巢能源的楊紅新,其實上一場殷總主持得特別好,成功讓充電和換電兩組人懟起來,我是特別想?yún)⒑蜕弦粓龅挠懻?。因為我原來是在整車廠工作了十幾年,近幾年是在電池廠工作,所以我也有我的一些想法。


不管是充電還是換電,前提都是車電分離是最重要的,只要車電分離做到了,其實對電池公司都是最大的受益者。因為車電分離以后,消費者購車成本降低了,電動汽車賣得多了,要建換電站,除了車上的電池,換電站也要儲備很多的電池,所以對電池公司是一個利好。


另外一點,剛才提到的標準化問題。我們電池公司也特別關(guān)注電動汽車電池的標準化,這個事情短時間肯定很難實現(xiàn),但是長期看是有機會實現(xiàn)的,取決于電池的體積能量密度到底做到什么樣的水平。

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接下來我參和的主題是動力鋰電池格局和技術(shù)路線的演化。


剛才提到的電池標準化,其實就是未來一個非常重要的技術(shù)路線的演化趨勢。大家了解12V的鉛酸電池,基本都已經(jīng)通用化,不管是大眾、奧迪還是國產(chǎn)車,都可以用同樣的12V鉛酸電池。


但是鋰電池太大了,它嚴重地擠壓了整車的軸距、輪距和高度,所以很難做到標準化。假如體積能量密度提高一倍,我們把整個電池包的寬度縮短一半,把它集中在車輛的中通道的位置,這個時候是可以做到標準化的??渴裁磥韺崿F(xiàn)?肯定是靠從化學體系到結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷的創(chuàng)新來實現(xiàn)的。


今天,我們想說的是動力鋰電池未來的格局,核心的路線到底是什么?其實走什么技術(shù)路線,取決于客戶的需求是什么,取決于整車廠的需求是什么。


客戶跟整車廠到底要什么呢?大家在新聞上經(jīng)常聽到自燃問題,所以安全肯定要,大家說一次購車成本高,所以成本很重要。大家說現(xiàn)在電池太重,體積太大,所以能量密度也很重要。還有循環(huán)壽命,有人想用20年,壽命很重要,有人想快充,功率也很重要,放電功率也很重要,這些都是客戶和整車公司的需求。


那我們做哪一點,不做哪一點,整車廠來說都想要,但是對電池廠來說很難,因為這里面很多指標是相矛盾的。


我們不可能在今天,把安全、壽命、功率每一個拎出來單說。未來的趨勢會變成什么樣?我是希望站在最基礎(chǔ)的角度做一些分析,什么基礎(chǔ)技術(shù)可以同時實現(xiàn)多個未來客戶跟整車廠的需求,盡量滿足多樣化的需求。


那么我選擇的主題是疊片跟無鈷,也是有它的原因的,剛才講充電的時候也提到了一個,現(xiàn)在電動汽車的銷售對象,重要還是B端的多,今年開始C端的多了,什么時候電動汽車開始真正的普及?


一定是大量私家車主成為購車主力,占到90%以上,就像現(xiàn)在的燃油車相同。那么什么時候才能夠?qū)崿F(xiàn),以及要做什么工作?成本是非常大的一個障礙,也是非常關(guān)鍵的一個訴求。


這里面有一個測算公式,是成本回收期的計算,我們把它分成A00、A0、A、B、C不同級別的車,不同級別的車電池價格是不相同的。


不同電池的價格,從縱坐標來看,成本回收期也是不相同的,這里面考慮了很多價差和用車成本的因素在里面。那么市場上將來最主流的電動汽車,其實應(yīng)該和燃油車相同,是A級車應(yīng)該占到絕大部分的市場銷量,是最主流的車型。


我們看A級車,實現(xiàn)跟燃油車對等,以及滿足客戶期望的成本回收期,經(jīng)過測算是3.4年。什么時候能夠?qū)崿F(xiàn),保守的測算是2025年。2025年電池的成本可以支持A級主流家用車,在3.4年之內(nèi),跟燃油車比較回收回來,就可以達到一個大規(guī)模普及程度,這是一個比較新的維度的思考。它不僅僅單純的考慮是初始構(gòu)成成本,考慮了非常多的因素。


成本既然這么關(guān)鍵,影響到我們什么時候?qū)崿F(xiàn)電動汽車的普及,我們希望2023年更早的普及才好,這樣我們的電池還可以多賣一些。


那么怎么降成本?我們回顧歷史,其實各方面都在降,材料在降,設(shè)備價格在降,制造成本在降,設(shè)計工藝出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性的成本也在降,都在降。


但是,其實這里面有很多數(shù)據(jù),降幅最大的還是四大主材,四大主材類里降幅最大的還是正極,降幅是非常高的。


我們說生產(chǎn)效率,一次成本投入非常大,建一個電池廠的投資比建一個汽車廠還要大。但是假如分攤到5年折舊,10年折舊里面,再分攤到每瓦時的電芯成本里面,設(shè)備占成本比是比較低的,幾分錢,但是材料占比是最大的,影響也是最大的。


所以我們的關(guān)注焦點,還是要放在主材上。當然技術(shù)進步,我們CTP的技術(shù),以及我們長電芯的開發(fā),進一步提高密度,都可以進一步降低成本。


CTP最近比較火,但是我認為它更重要的用途是可以提高安全性。因為我把模組的端板、側(cè)板取消以后,可以釋放出大量的空間,這些空間可以用于增大電芯的間隙,就有機會實現(xiàn)一個電芯熱失控,相鄰電芯不出現(xiàn)熱失控這樣的一個目標,這樣的目標實際上已經(jīng)成為國際跟國內(nèi)的最重要的目標。


所以CTP不僅可以降成本,還可以提高我們的安全性。這也是汽車行業(yè),電池行業(yè)在積極努力創(chuàng)新的地方。


我們提到正極材料,就不得不提到對正極材影響最大的是什么。現(xiàn)在除了磷酸鐵鋰以外,最大的材料供應(yīng)體系還是三元鋰電池,如鎳鈷錳、鎳鈷鋰,當然鎳占比很高,811電池中鎳占80%左右的,但是鎳在全球的金屬比例當中,用在鋰電池上占比是小的。


鈷是不相同的,手機用的是鈷酸鋰,用鈷量非常大,所以鈷對正離子材料成本影響是非常大的。


我做過鋰電池很多年,下面坐著做電池的前輩,大家可能都了解,2008和2018年,10年中出現(xiàn)了兩次鈷價的劇烈波動,從10元左右漲到40多元,還買不到。


假如電動汽車將來要做到一年一千萬輛,一年兩千萬輛,這種大工業(yè)持續(xù)制造的商品,是不允許出現(xiàn)這樣的供應(yīng)鏈問題的。汽車公司講供應(yīng)鏈安全,它是絕對不允許出現(xiàn)的。這種情況是嚴重的會制約電動汽車的普及的。


那么這張圖是我們公司畫的,其實整個行業(yè)也差不多。這張圖有一個特點,越向上的能量密度越高。另外一個特點是,不管是鐵鋰、無鈷、磷酸鐵鋰、四元、三元、固態(tài),在能量密度提高的同時,鈷的含量都在想辦法向下降。從最早的111到523,到6系7系8系,現(xiàn)在NCMA和NCL做到9系的,鎳的含量一直在上升,鈷的含量一直在下降,人類在追求去鈷化和無鈷化上的努力,一直在做各種各樣的功課,從來沒有停止過。


在能量密度提升的同時,它的價值是巨大的,它可以釋放大量的車內(nèi)空間。我們了解有的電動汽車為了把電池塞進去,坐到后排以后,就像坐小板凳相同,腿是非常難受的,軀干角非常不合理。


假如我們能量密度提高了,電池可以做矮做窄,又可以實現(xiàn)標準化,這絕對是未來永遠追求和努力的方向,就是提高能量密度。


但是路線確實不相同,也會分場景進行應(yīng)用。磷酸鐵鋰有它的場景,無鈷有它的場景,811有它的場景,場景不同,但是在去鈷這條路上是相同的。我這里面寫的無鈷指的是高能量密度電池的無鈷,磷酸鐵鋰也沒有鈷,但是它是低能量密度電池的無鈷,我們后面說的無鈷電池都是指的高能量密度的。


那么前面講到的是材料,我們再講講工藝,工藝現(xiàn)在軟包鋰電池公司都是疊片的,其他的大部分都是卷繞的,其實各有優(yōu)劣勢,不是誰對誰錯,但是我們還是要看未來,未來客戶到底要什么。


回到剛開始說到的話題,客戶要的是長壽命的,客戶要的是越小越好的,客戶要的是功率性特別好的。就是所有不合理的要求,合理的要求,他都要你滿足。


那么卷繞工藝,在經(jīng)歷這么多年的發(fā)展之后,遇到了很大的瓶頸,疊片工藝先天上有很大的優(yōu)勢。比如能量密度的提升,比如穩(wěn)定性,比如說極耳數(shù)量多一倍,工藝性更好,所以疊片工藝是非常有前途的。


尤其是當我們把電池的尺寸越做越大的時候,我們了解最早VDA,后來是590模組電芯,220的,現(xiàn)在比亞迪出的刀片是更長的,574這個尺寸,它和590標準模組可以兼容,這個電芯既可以用無模組在電池包里布置,又可以把它裝到590模組里,兼容性非常好。


但是電芯做得越長,其實能量密度越高,成本越低,因為疊片,每疊一個小的片進去,和每疊一個大的片進去,疊的活性物質(zhì)的量是不相同的,所以越大,生產(chǎn)量量的效率就越高。


同時,越薄的電芯,散熱性更好,做針刺的話,容易通過。那么疊片是最適合電池的工藝的。


當然還有極耳數(shù)量新增了一倍,它的內(nèi)阻可以新增10%,功率也可以得到提升。還有能量密度,空隙都可以填滿,還有界面是非常良好的,卷繞不會出現(xiàn)左邊的S變形,包括邊緣位置的斷裂出現(xiàn)的紋路,所以從安全性能上來講,疊片也是非常好的。


另外就是膨脹,它初始膨脹力和中器后期膨脹率率卷繞的,所以對模組的壓力也會更小,也會提高安全性。


疊片和無鈷,一個是工藝制造角度,一個是材料成本和安全性角度,是基礎(chǔ)性的未來趨勢,可以滿足對成本,對效率、對功率、對壽命各方面的要求。


鈷這個產(chǎn)品,確實是非常非常重要的,每年都有人會蘋果公司,會TSLA,說他們使用的鈷來源不干凈,這也成為整個行業(yè)非常痛的和不可回避的問題。


鈷的儲量這么小,只有710萬噸,而且還特別集中,只有幾家公司可以制造生產(chǎn),特別容易控。電動汽車單車用量又非常大,ModelS已經(jīng)用了9系高鎳電池了,但是單車用量還要消耗掉13.68公斤的鈷,所以鈷這個問題不消除,肯定是不符合未來電動汽車發(fā)展的趨勢。


大家都了解要去掉鈷,或者把鈷減少,但是技術(shù)的挑戰(zhàn)確實是非常多的。其實沒有鈷的,高能量密度的電池的理論,在20年前日本的學者就提出來過,但是這么多年來,要不就是大家投入精力少,要么就是技術(shù)沒有做得很好,沒有解決鋰鎳混排的問題。假如8%-10%鋰鎳混排不能解決的話,產(chǎn)品穩(wěn)定性、倍率性都是非常差的。


解決方法有很多種,經(jīng)過很長時間的摸索,包括我們也做了很多年的摸索,從新增鎳的含量,包括一些技術(shù)等等,來提高它的穩(wěn)定性??傮w來講就是提高陽離子模式摻雜、單晶,太專業(yè)的就不在這里講了。


從測試數(shù)據(jù)來看,新鮮的電池,就是剛剛生產(chǎn)的電池的鎳混排可以控制在3.5%左右,是非常低的。


那么循環(huán)到后期的電池,鋰鎳混排控制在小于5%以內(nèi),是很好的解決了前面提到的鋰鎳混排的問題,同時金屬溶出這個問題,也是無鈷電池必須要解決的。


從右邊的這個圖上來看,跟811比較,我們的鎳、錳的溶出率都小于811的材料,所以循環(huán)壽命和穩(wěn)定性都是非常好的。而且我們做了2噸電池的測試,已經(jīng)量化了。


從產(chǎn)品上來看,無鈷材料、無鈷電池一定要是高能量密度的才可以,假如能量密度過低就是磷酸鐵鋰,沒有價值了。它的能量密度一定要接近811的水平,同時是安全的,比7系的三元更安全,循環(huán)壽命好,成本還要低。


還是回到剛開始說的,客戶什么都想要,我們就做一個什么都能滿足他的要求的產(chǎn)品。從實際數(shù)據(jù)來看,這些目標都已經(jīng)滿足了。


這是我們的動力性的測試,唯一一個還有問題,就是第一張圖,20%的SOC下,就是DSOC下的功率性能是偏弱的,因為沒有鈷以后,它的內(nèi)阻在低溫下會偏高。


我們也在做解決方法,在測試。其他的功率性能都是挺好的,包括零下30攝氏度的低溫性能,還可以支持70%的續(xù)航,包括零下20攝氏度的低溫充電,界面保持得非常好。


還有高溫循環(huán)壽命,可以超過1200次,常溫循環(huán)壽命1C1C,我們100%可以超過2500次,811只能做到1500次。


針刺我們做的不是刺穿的,是按照歐洲客戶要求做的淺刺,歐洲客戶要求,刺穿三層電極,只要不起火,不爆炸就算可以,我們刺穿了六層,右邊的圖片來看都是非常好的。


還有150度的熱箱,高能性能也是高鎳材料最害怕的,我們也順利的通過了150度熱箱的測試,還有140%的SOP的過充,還有外部短路,包括一些其他的測試數(shù)據(jù)。


以上講的是無鈷材料的進展,大家都說無鈷材料這么難,真的可以量產(chǎn)嗎?現(xiàn)在可以負責任地告訴大家,肯定可以,明年六月份我們就會把無鈷的電芯推向市場,裝車,裝到車上銷售。


那么無鈷還有一個問題,就是它的內(nèi)阻是偏高的,假如把疊片技術(shù)用上,可以再降低它5%的內(nèi)阻,所以疊片加無鈷,這兩種技術(shù)的結(jié)合,既可以發(fā)揮無鈷的優(yōu)勢,又能解決無鈷的痛點。


那么我們在把它做成長電芯,做成薄電芯,L6的長電芯,大概將近600毫米長,做成右邊的無模組的LCTP的Pack,我們叫矩陣式Pack,一個電池包里放兩臺電芯,沒有模組。它的能量密度,比傳統(tǒng)的設(shè)計提高了9%,空間利用率提高了17%,電量提升了24%。


長城一款采用這種布置形式,無鈷、無模組的電池可以做到880公里續(xù)航,同時也可以做成有模組的,就是裝到MED590的模組也可以,兼容性非常好。


以上就是我有關(guān)對未來電池技術(shù)路線的一些分享,不管怎么樣,安全、壽命、能量密度各方面的追求,都是沒有止境的。


現(xiàn)在我們電池公司,整車公司,關(guān)于電池機理的了解還是非常膚淺的,電芯到底為何突然會自燃?為何會突然熱失控?機理是什么?我們現(xiàn)在都沒有辦法完全弄清楚,


當然我們有比較初步的認識,但是還沒有做到研究透,假如真的研究透了,缺陷就可以防止掉。


所以我們現(xiàn)在也在做一些研究工作,就是在極低的溫度下,零下160攝氏度,用液氮冷凍熱失控的步驟,在電芯剛剛出現(xiàn)內(nèi)短路和出現(xiàn)的初期和后期,把它凍住,然后瞬間把它靜止,看它的界面,看它的機理等等,這只是其中的一個研究。


目前我們對電芯這個行業(yè)的研究,還要不斷地努力和提升。未來的方向,我們希望通過蜂巢能源,通過孚能、力神,我們共同努力,把滿足客戶的動力鋰電池的技術(shù),不斷推向前進,不斷滿足客戶的需求,我的分享就到這里。謝謝大家!

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