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蜂巢能源的無鈷前瞻和行動,改變電池游戲規則

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年12月30日  

當補貼逐漸失去效用,電動汽車進入價格戰時,整車和動力鋰電池都出現了一些新動向:


比亞迪漢EV600km,小鵬P7706km,威馬Maven概念車800km中高端電動汽車的長續航牌在新車上體現的淋漓盡致。


整車續航競爭的核心是動力鋰電池


蜂巢能源、TSLA的無鈷電池和CTP方法,比亞迪的刀片電池結構這些近日炒得火熱的動力鋰電池新概念,成就整車的長續航、降本和安全,成為整車競爭的核心之一。


不是少鈷,而是真0鈷


無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,電池廠都認可,動力鋰電池少鈷化或者無鈷化,是行業技術一大趨勢,也是必然。


今年,出現了一些無鈷電池商業上的炒作,將無鈷電池和磷酸鐵鋰電池劃等號的說法。這無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鈷問題,TSLA、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現無鈷電池的量產殫精竭慮。


TSLA低鈷(3%)材料已量產,用于Model3。第二代無鈷材料也在加快開發,預計未來兩年內應用到電芯中。


蜂巢能源和LG化學采取的少鈷電池策略是將NCM和NCA相結合,即將鋁摻雜到原始NCM電池正極材料中,開發NCMA四元電池,提高結構穩定性。


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


從少鈷到無鈷的開發,電池公司和主機廠都在一點點試探鈷含量的底線,確保新電池能夠在拔高性能時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,提高材料的結構穩定性。


假如減少鈷的用量,提高鎳的含量,會導致鋰鎳混排,從而造成鋰的析出,并且無法抑制鎳的相變,降低循環性能。因此,鈷含量少的NCM811電池有著安全性差及循環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度增強,減少了有害相變轉變的微隙,讓材料結構和反應變得更加穩定。


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


TSLAJefferyDahn研究團隊發現,高鎳含鈷電池中少量的鈷用途很小,或幾乎沒有。


Dahn團隊研究了摻雜Al、Co、Mn、Mg(摻雜量為0.05和0.1)對鎳酸鋰電化學性能、結構和熱穩定性的影響。


實驗數據表明: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,從而改善循環壽命;3、摻雜Mg和Al、Mn的無鈷高鎳材料可以抑制正極和電解液的副反應,安全性也好于高鎳含鈷材料。


也就是說,找到改善無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排問題以及循環壽命,實現化學鍵穩定的技術,可以完全無鈷。


無鈷電池開發到了什么程度?


現在,蜂巢能源、TSLA正在將無鈷電池從理論變為現實。兩相比較之下,TSLA多在理論階段,且有讓步的打算,蜂巢的無鈷產品經過安全測試,兩款產品將于明年SOP。


TSLACEO馬斯克2018年在推特上宣示,下一代動力鋰電池將是無鈷電池。此后它在采用少鈷的NCA電池時,內部展開Roadrunner項目,和學術動力鋰電池研究團隊合作探索不同高鎳-摻雜體系下的正極材料。


今年二月,路透社一篇有關TSLA采用CATL無鈷電池的報道,立刻吸引了行業的關注。經過挖掘,它采用的是后者的磷酸鐵鋰電池,真正的無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道似乎暗示著TSLA電池日不會公布無鈷電池,重點將為基于NCM523的長壽命電池。考慮到鈷材料的回收,TSLA延遲無鈷電池的公布。


若消息屬實,無鈷電池的研發和量產很有可能將始于蜂巢能源。


蜂巢的無鈷電池建立在探索、發展了20年的鎳錳酸鋰材料上。


早在2000年,T.Ohzuku等學者就發表了結構穩定的層狀材料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上都有重大貢獻。


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


因此,解決無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排以及循環壽命問題,關系到無鈷電池何時能夠商業化。


蜂巢能源通過三項關鍵技術研發出無鈷電池:1、陽離子摻雜技術;2、單晶技術;3、納米網絡化包覆。


摻雜和包裹等改性措施,關于動力鋰電池減少鋰鎳混排、提升材料穩定性不可或缺。單晶材料更耐壓,壽命更長久。


首先,摻雜技術,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電池中出現NCM和NCA三元電池,NCMA就是鋁對NCM的摻雜。從材料體系上看,無鈷電池使高鎳三元徹底背棄傳統三元的體系,回到二元電池時代。


通過陽離子摻雜技術,蜂巢可提高材料的上限電壓,實現能量密度比磷酸鐵鋰電池提高40%。


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


單晶技術可以改善電池的安全性和壽命。和多晶相比,單晶技術顆粒強度更高,結構更加穩定,耐壓力強度可以提高10倍。


電池在極片制作過程中,為了在有限的殼體空間內加入更多的活性材料,要經過高強度輥壓。在測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,會直接導致正極和電解液反應,出現大量氣體,造成電池壽命加速衰減和出現安全問題;同時材料的結構崩塌,使鋰離子無法移動,造成壽命快速衰減。


而單晶卻非常穩定。正是這種穩定的晶體結構,為無鈷材料帶來超長的使用壽命,電芯壽命可以比多晶高鎳三元高出70%。


納米網絡化包覆,自然界中三角網絡是韌性最高的結構。蜂巢在無鈷材料的合成過程中采用此包覆技術,在單晶表面包覆一層納米氧化物,可以減少正極材料和電解液的副反應。該技術有效地改善高電壓下的材料循環性能。


當前,蜂巢的無鈷材料已完成百公斤級試產,采用該無鈷材料的電芯產品同步開發中,能量密度達到240~245Wh/kg。


第一款無鈷產品是115Ah,能量密度達到245wh/kg。它能夠匹配590標準模組,能夠搭載到目前大部分新的純電平臺上,這款產品的電池包在整車端,能夠實現15年120萬公里的質保。它將在2021年六月份推向市場。


第二款產品是L6薄片無鈷長電芯,容量226Ah,能量密度達到240Wh/kg。這款電池正在和長城汽車的一款高端車型做適配開發,預計在2021年下半年推向市場。


蜂巢能源總裁楊紅新表示,這款無鈷電池通過了國標和歐標的全部安全性測試。結果表明,通過材料摻雜、單晶技術和納米網絡化包裹,蜂巢的無鈷電池在能量密度和高鎳三元相當,使用壽命和安全性高于高鎳三元。


長電芯在制造中更考驗制造工藝。在長電芯的制造過程中,疊片工藝比卷繞工藝更加有優勢。蜂巢能源已經順利投產的車規級AI智能廠一期項目,已經成熟掌握了高速疊片工藝技術,已經可以實現L6疊片長電芯的高效率大批量生產。


電池研發不是自嗨,而要真實可用


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大多具有幾個特點:平臺化,長續航里程,高安全,價格競爭力。


平臺化要求動力鋰電池能夠最大程度地兼容到現有電動汽車平臺上,實現最大化的通用性。


楊紅新表示,蜂巢分析當前市場上的主銷車型寬度后發現,主流的A0級、A級以及B級以上的平臺適用于長度在1150mm-1300mm的長電芯。假如按照1米或1米以上的長度做電芯,勢必會顧此失彼,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,過長的尺寸會降低對市場主流乘用車的適配性和靈活性。


經測算,600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸,似乎可以覆蓋到市場上主銷的80%的車型的需求。


長而薄的600mm左右的電芯可以裝配在矩陣網格中,規則排列組成大型矩陣模塊,矩陣之間相互關聯又相互獨立,正常工況時能夠保證整個矩陣模塊的剛度,非常規極端工況下,比如側碰,則能夠通過多個電芯分散撞擊力,保證整體安全。


矩陣式PACK設計也和之前使用590模組的平臺具有很好的兼容切換性,主機廠可以不做額外的修改和變更。


單晶無鈷電芯和矩陣式PACK設計,可以實現整車續駛里程達880公里。以長城B級車為例,在L6無鈷電池和無模組方法的用途下,它的電量可以達到135度電,續航里程880公里,是國內純電動汽車續航最長的車型。


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


動力鋰電池必須撐得起主機廠的長續航需求。很明顯,蜂巢的無鈷電池瞄準了主機廠的此類需求。它和高鎳三元CTP電池、四元電池可以成為續航在600km以上緊湊型和中大型車的主流電池選擇。


長續航之外,電動汽車不僅要和其他電動汽車比拼價格,更要和燃油車拼價格。占電動汽車總成本四成的動力鋰電池,自然也就成為降本重點對象。


電池公司重要從材料創新和結構創新兩方面降成本,在正極材料去鈷,無模組設計提高成組效率。


探索無鈷方法,最重要的原因就是降本。電芯整體成本中,原材料成本占據很大比例,特別是正極材料占到整個材料成本的40%。大力發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。


無鈷技術的實現,可使電芯成本下降10-15%,完全擺脫正極材料對鈷的依賴。同時,無鈷材料電池還防止了材料受戰略資源影響情況的出現。


楊紅新解釋稱,無模組矩陣式PACK設計能夠降低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(傳統模組的PACK水平在72%,VDA電芯CTP做到75%)。

當新電池技術處處為整車開發和應用考慮,它才能讓主機廠發揮出電動汽車平臺的最大效益。


有業內人士曾評價當前推出的動力鋰電池新方法,動力鋰電池作為電動汽車的關鍵零部件,是否能成為主流趨勢重要取決于下游整車客戶是否會大規模采用。


讓電池適用于車,適用于已經定型或正在定型的電動汽車平臺,而非車適用于電池。

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