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首款無鈷電池正式量產(chǎn)裝車,電池性能與供應(yīng)安全求得新解法2021-09-01 07:56

全球首款搭載無鈷電池的新能源汽車

這標(biāo)志著首款無鈷電池正式量產(chǎn)裝車階段。

這款無鈷電池包的供應(yīng)商就是近期風(fēng)頭正勁的蜂巢能源。

無鈷櫻桃貓車型亮相:電池性能與供應(yīng)安全求得新解法

蜂巢能源無鈷電芯

電池的發(fā)展是個平衡藝術(shù),在性能方面,需要平衡安全、能量密度和成本;供應(yīng)方面,需要平衡原材料供應(yīng)安全,可持續(xù)性和成本。

電池企業(yè)面臨的共同問題是,如何在成本更低的情況下,做出性能更均衡,且符合車用標(biāo)準(zhǔn)的電池。

借著蜂巢能源無鈷電池的量產(chǎn)裝車,《電動汽車觀察家》梳理下中國幾家代表性企業(yè),現(xiàn)階段解決上述問題的方案:寧德時代采用的是CTP(cell to pack,無模組電池包)和鈉離子電池;比亞迪方面,采用刀片電池(也是CTP方案)和磷酸鐵鋰技術(shù);而蜂巢則采用的CTP和無鈷電池技術(shù)。

對比這些技術(shù)路線,《電動汽車觀察家》發(fā)現(xiàn),比亞迪和寧德時代都采用了能量密度更低的正極材料,雖然解決了成本和供應(yīng)安全,但是犧牲了產(chǎn)品的性能;蜂巢選擇的方案,在兼顧成本和供應(yīng)安全的同時,能夠做到能量密度犧牲最小、甚至接近無損。

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櫻桃貓首亮相,后續(xù)車型逐步亮相發(fā)布

要了解無鈷電池到底如何,要看看櫻桃貓的各項(xiàng)性能。

櫻桃貓定位A+級SUV,搭載的無鈷電池包的總電量為82.5kWh,系統(tǒng)能量密度170Wh/kg,常溫工況續(xù)駛里程600+公里,續(xù)駛里程在中國同類產(chǎn)品中處于前列。

無鈷櫻桃貓車型亮相:電池性能與供應(yīng)安全求得新解法

長城歐拉櫻桃貓——搭載無鈷電池的首款車型

性能方面,櫻桃貓5秒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)整車百公里加速;防水性能達(dá)到IP67;低溫情況下,能量保持率高,加熱速度快。

蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新介紹說,他們的無鈷電池包可以實(shí)現(xiàn)每小時49℃的加熱速率,也就是說從-20℃把電池加熱到常溫,只需要不到半個小時。

據(jù)蜂巢方面的介紹,無鈷電池包經(jīng)過了全面的性能和零部件安全測試。楊紅新表示,蜂巢能源的無鈷電池在國標(biāo)和特別的安全測試方面,例如底部球擊、踩踏、錘擊、側(cè)柱碰、電池包、內(nèi)部冷卻液泄漏、電化學(xué)腐蝕、碎石沖擊等方面,全部達(dá)到了最高標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外,無鈷電池包順利通過了150℃的熱箱、140%SOC的過充等系列安全測試,還獲得EC62660-3/GB T31486-2015/GB 38031-2020/ UL2580等多項(xiàng)認(rèn)證。

在低溫性能方面,無鈷電池也有明顯提升。蜂巢能源第二代無鈷電池的快充倍率提升到1.6c也就是從現(xiàn)在的45分鐘充到80%,降到30分鐘以內(nèi)沖到80%,進(jìn)一步拓寬無鈷電池的應(yīng)用場景。

基于此,蜂巢能源無鈷電池覆蓋范圍,從A00級到B+級,續(xù)駛里程覆蓋400—800公里以上車型。

無鈷櫻桃貓車型亮相:電池性能與供應(yīng)安全求得新解法

資料來源:蜂巢能源

不過需要說明的是,蜂巢第一代無鈷電池包并未選擇CTP技術(shù),采用的是meb標(biāo)準(zhǔn)的模組。接下來,蜂巢能源還會采用大模組和CTP技術(shù),進(jìn)一步提高電池包的體積能量密度,并提高安全性。

明年還會看到其它無鈷電池車型消息。據(jù)楊紅新介紹,長城體系內(nèi),目前確定了兩款搭載無鈷電池的車型,一個是歐拉品牌,一個是沙龍品牌;“長城體系外,吉利商用車將有一款皮卡;還有兩家新勢力企業(yè)在溝通,有望定點(diǎn)。”

除了中國自主品牌,日本和德國也有幾家車企在測評蜂巢的無鈷電池。

目前,蜂巢能源已經(jīng)規(guī)劃了10GWh無鈷電池產(chǎn)能;到2025年,無鈷電池的產(chǎn)能將超過50GWh,并實(shí)現(xiàn)與三元電池共線生產(chǎn)。

了解了蜂巢能源無鈷電池的基本情況后,來看下中國電池企業(yè)在平衡電池性能和供應(yīng)安全時,做了怎樣的選擇。

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比亞迪的路線:CTP和磷酸鐵鋰

以比亞迪為代表的企業(yè),開始大規(guī)模回歸到磷酸鐵鋰路線。

作為最直接降低成本,且供應(yīng)安全的技術(shù)路線,目前中國大批車企和電池企業(yè)跟隨,搭載磷酸鐵鋰電池的車型迅速增長。

磷酸鐵鋰材料供應(yīng)安全、成本不高、循環(huán)壽命長,但是能量密度低,比亞迪為了解決這一問題,采用CTP(無模組)刀片電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,電池包空間利用率達(dá)到60%以上,但是材料本質(zhì)能量密度低的特點(diǎn)并未解決,這就劃定了上限。

比亞迪刀片電池的代表作就是比亞迪漢。比亞迪已經(jīng)發(fā)布了純電動全系“佩刀”的計劃,比亞迪的全部產(chǎn)品都會陸續(xù)搭載刀片電池。

根據(jù)2020年的合格證數(shù)據(jù),比亞迪漢所用的刀片電池,單體能量密度在166Wh/kg左右,電池系統(tǒng)的能量密度能夠做到140Wh/kg。

目前看,磷酸鐵鋰電池已經(jīng)量產(chǎn)的電芯能量密度最高在200Wh/kg,仍然明顯低于三元電池的能量密度。

由于電芯能量密度較低,成組后的電池包能量密度只會更低,長期發(fā)展來看優(yōu)勢并不明顯。

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寧德時代路線:CTP和鈉離子電池

為了提升能量密度,寧德時代也采用CTP技術(shù),來提升電池包的能量密度并降低成本。

在材料層面,寧德時代改弦更張,繞開鋰發(fā)布了鈉離子電池。

鈉的資源夠豐富,原材料供應(yīng)不存在問題;電池安全性高,能做到針刺、擠壓、過充、過放等安全項(xiàng)目測試中做到不起火不爆炸;但是短板在產(chǎn)業(yè)鏈不完善,并且電芯本身能量密度不高。

鋰本身并不稀缺。根據(jù)USGS數(shù)據(jù),全球鋰資源總量為8600萬金屬噸(折LCE約4.58億噸),而未來隨著勘探的深入,鋰資源儲量有望繼續(xù)增加。但是,全球鋰資源的分布并不均勻且高度集中,南美鹽湖“鋰三角”以及澳洲鋰礦合計占全球鋰資源儲量的65%。

為了減少對鋰的需求,寧德時代發(fā)布了鈉離子電池。

根據(jù)寧德時代發(fā)布會上的數(shù)據(jù),他們第一代鈉離子電池的單體能量密度為160Wh/kg,第二代在200Wh/kg。

就目前的數(shù)據(jù)來看,鈉離子電池單體能量密度低于磷酸鐵鋰電池。

寧德時代為了解決這個問題,采用鈉離子和鋰離子混搭的方式,來彌補(bǔ)電池包能量密度不足的短板。

目前推測,大概率采用的是三元鋰離子電池和鈉離子電池混搭的方式。

寧德時代采用鈉離子,可以平衡成本、安全和供應(yīng)安全等,但是鈉離子電池能量密度,現(xiàn)階段比磷酸鐵鋰還低。值得注意的是,混用時鈉離子電池采用越多,電池包能量密度就越低。

現(xiàn)階段比亞迪和寧德時代的方案,本質(zhì)上是通過犧牲電池能量密度,即電池性能,來平衡成本和供應(yīng)安全,而且短期內(nèi)兩種技術(shù)能量密度的天花板都比較低。

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蜂巢的CTP和無鈷電池路線

蜂巢能源除了采用業(yè)內(nèi)近期比較流行的CTP電池包方案外,在材料層面,蜂巢考慮從三元電池中去除鈷元素。

無鈷櫻桃貓車型亮相:電池性能與供應(yīng)安全求得新解法

蜂巢能源的無鈷電池包

這并非新思路。早在2018年,松下宣布正在開發(fā)無鈷電動汽車電池。 特斯拉CEO馬斯克在社交媒介上表示,在特斯拉Model 3的電池中,含鈷量已經(jīng)降到不到3%。他們將繼續(xù)改進(jìn)技術(shù),爭取在下一代電池中完全拋棄鈷,但是目前仍未看到有產(chǎn)品落地。

蜂巢能源卻是全球首個落地?zé)o鈷電池的企業(yè)。

目前,蜂巢能源量產(chǎn)的無鈷電芯H能量密度在240Wh/kg,以及2023年SOP(Start Of Production,小批量生產(chǎn)階段)的無鈷H plus可以做到250Wh/kg,明顯高于磷酸鐵鋰和鈉離子電池。蜂巢能源的無鈷電池基本可以在較小、甚至接近無損能量密度情況下通過去除鈷,從而降低原材料成本。

櫻桃貓搭載的無鈷電池包能量密度,目前做到170Wh/kg,遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池140Wh/kg的水平。

根據(jù)楊紅新介紹,蜂巢能源后續(xù)無鈷電池將采用CTP或者大模組的形勢,電池包能量密度有望超過180Wh/kg。

此外,在安全性方面要高于目前的高鎳三元電池。可以通過150℃的熱箱實(shí)驗(yàn)、 140%SOC的過充實(shí)驗(yàn),以及2mm的淺層針刺實(shí)驗(yàn)。

在原材料材料可持續(xù)性方面,鈷的供應(yīng)比鋰更為緊張。全球已探明的鈷礦儲量大約700萬噸。要知道,鎳、錳、鋁等礦產(chǎn)都是數(shù)十億乃至百億噸級別的儲量,兩相對比,可以看出鈷屬于非常稀缺的金屬。按照2019年全球14萬噸的開采量計算,鈷還可以開采約50年。

中國的鈷儲量更少。中國已探明的鈷儲量僅為8萬噸,占全球總儲量的1.14%。這就意味如果沒有無鈷方案,中國就只能依賴進(jìn)口。

鈷的另一問題,在于產(chǎn)地非常集中,主要在剛果、澳大利亞和古巴,且集中在嘉能可、洛陽鉬業(yè)、歐亞資源等幾大礦業(yè)集團(tuán)手中,導(dǎo)致下游議價能力較弱,在價格上漲期,價格很可能遠(yuǎn)超電池企業(yè)的承受能力。

當(dāng)然,蜂巢能源不是唯一一個深耕無鈷電池的企業(yè),韓國、美國的材料科學(xué)家都在研究無鈷正極材料,許多研究人員認(rèn)為鈷的問題基本得到解決。

寧德時代對無鈷電池的規(guī)劃,則是放在2024年左右。

無鈷櫻桃貓車型亮相:電池性能與供應(yīng)安全求得新解法

總結(jié)上述路線可以發(fā)現(xiàn),比亞迪和寧德時代都采用了能量密度更低的正極材料,雖然解決了成本和供應(yīng)安全,但是犧牲了產(chǎn)品的性能;蜂巢選擇的方案,在兼顧成本和供應(yīng)安全的同時,能夠做到能量密度犧牲較小,最大程度保留了三元電池能量密度的優(yōu)勢。

蜂巢能源邁出的這一步似乎更有優(yōu)勢。

當(dāng)然,需要明確的是,無鈷電池作為一個全新的解決方案,其可靠性還需要時間來驗(yàn)證。

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