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能让磷酸铁锂电池突破续航极限,龙鳞甲电池真有这么神奇吗?

【EV视界解析】续航里程,对于大多数纯电动车主来说,是心中挥之不去的梦魇。

作为纯电动车是否“够格”的重要评判标准,续航里程在行业技术不断地发展革新后,如今已经进入了700km+的时代。虽然这样能让车主少一些里程焦虑,不过在高续航之下,由于锂、钴和镍等矿物价格近期飙升,全球汽车制造商都提高了电动汽车的价格,所以原材料价格上涨,市场的目光反而又开始关注起磷酸铁锂电池。

说到磷酸铁锂电池,大多数人会想到其较高的安全性。相对于三元锂电池,磷酸铁锂电池的安全性还是很高的,集中体现在热稳定性方面,通常三元锂电池中的镍材料会在温度达到200℃后开始分解并释放氧气和热量,促使电池出现冒烟、起火等热失控现象。而磷酸铁锂电池只有在温度达到800℃以上,内部才会开始产生化学反应,而即便是在高温条件下,磷酸铁锂电池内部由于晶体中的P-O键稳固,所以并不会形成强氧化性物质,在电池包内有限的氧气下,自然也就难以起火自燃。只不过,如此安全的电池材料由于其能量密度的受限,导致其在市场的运用要远远低于三元锂电池。不过,作为国内动力电池行业的领军企业之一,蜂巢能源就在磷酸铁锂电池的技术研发中提出了全新的思考,让其续航达到了800km的惊人数据。那么,在如此“逆天”的性能下,蜂巢能源是如何做到的?那我们就从龙鳞甲电池说起。

在前不久举办的蜂巢能源第三届电池日活动上,其最新的龙鳞甲电池首次亮相。单从命名来看,龙鳞甲的字眼反而能凸显出这款电池在防护方面拥有绝对“够硬”。其实,蜂巢的这个全新动力电池是一套完整的系统性电池解决方案,它其中包含了短刀电池、超高速叠片工艺技术等。

作为动力电池,安全绝对是排在整个系统的首要位置。我们知道,新能源汽车因电池热失控而导致起火自燃的事故,总会让一些车主嗤之以鼻。那么龙鳞甲电池是怎么做到的呢?

基本上概括为三个设计。

“热-电分离”设计:首先,龙鳞甲采用创新的短刀电芯底出防爆阀设计。一般来说,电池包系统性风险往往来自于单个电芯的热失控,而常规电池包中电芯的防爆阀设计在顶部,因此防爆阀上方要留出泄压通道,将高温高压的喷发物引导到侧面或底部排出,过程中极易蔓延到相邻电芯导致连锁反应。

龙鳞甲应用的短刀电芯防爆阀创新设计在底部,一旦发生某个电芯热失控可快速实现定向泄压,喷发物可按指定方向、通过很短的通道迅速排出,不蔓延至周边电芯。

高强钢+弹性支架的设计:龙鳞甲电池底部还采用高强钢的结构加弹性支架,将底部防护空间与热失控泄压空间合并。电池包下箱体由单一的结构件上升为功能复合件,同时起到了:结构承载作用+结构防护作用+集成冷板+泄爆疏导结构。

双面冷却设计:由于电芯底部开口(防爆阀),龙鳞甲电池的电池包上盖与水冷板集成,增加底部的水冷板设计,形成了双面冷却设计,让电芯大面积和冷却板接触,让冷却板迅速带走电芯的热量,使得龙鳞甲电池换热能力提升70%,并且还可以提升电动车快充场景的安全性。这里要提到的一点是,电池包要做到快速充电,难点在于如何管理快充时导致的电池温升。如果温升过高,超过安全阈值,就会导致热失控。此前大量电动汽车在快充时起火,就是热管理能力不足,而龙鳞甲电池的双面冷却设计,能使其最高支持2.2C-4C的快充能力,而这也间接地增强的车辆的使用效率,提高了车辆的续航实力。

可以看出,通过以上的设计,使得龙鳞甲电池可以做到了单电芯失控不扩散至相邻电芯,整包不起火,远超国标要求的5分钟不起火,实现了从单体安全到系统安全的全面提升。当然,以上这些都是关于电池“硬防护”方面的实力展现,俗话说“防患于未然”,在早期预防方面,蜂巢能源与华为、清华大学、中汽研战略合作,建立了电池智能化监控分析全球第一平台——“蜂云平台”。该平台通过“车+云”的大数据协同,蜂云电池医生可以对电池系统进行全天候状况监控及安全预警。在电池异常发生前,至少提前一天预警,为用户提供检测服务,并提前2小时再次预警,为车内人员提供宝贵的应急逃生时间。

开头我们说过,龙鳞甲电池不仅在防护上面有着非凡的表现,其还在磷酸铁锂电池技术方面,打破了材料的束缚,达到了惊人的续航实力,那么它是如何做到的?

众所周知,提高续航,首先要改变的就是将电池材料的能量密度提上去。蜂巢能源遵循从材料、电芯到电池结构的系统性思维,通过优化电芯和系统两大技术,电芯层面,采用了更高能量密度的磷酸铁锂电芯;系统层面,则是通过系统结构件功能集成、空间功能集成设计。通过技术优化,采用磷酸铁锂电芯的龙鳞甲电池系统体积成组效率大幅提升至76%,续航超过800km。当然,除了磷酸铁锂,龙鳞甲电池还可采用其它电池材料作为电芯,比如采用三元锂电芯的话,这可以为车辆带来1000km的续航。这里值得一提的是,龙鳞甲电池的设计也能够扩展为CTC(电池底盘一体化),更加充分利用空间。

除了磷酸铁锂和三元锂这两种主流电池材料外,龙鳞甲电池还有采用高锰铁镍电芯的方案。据资料显示,高锰酸锂电芯的能量密度可以达到220WH/kg,基本相当于特斯拉4680电池组的能量密度,体积能量密度则可达503 Wh/L。因此相比于磷酸铁锂电芯,采用高锰酸锂电芯续航可以增加100km,成本要比三元锂电池更低一些,算是一种折中的策略。但高锰铁镍电芯受材料限制,电芯内阻大,快充性能一般。

说完正极材料,在此次的电池日中,蜂巢能源还公布了纳米网硅负极的技术发展。据悉,它是蜂巢能源为高能量密度电池提出的负极技术方案,包括自主开发的筑网束硅技术、硅碳融合技术、双层包覆技术,循环寿命较进口同类产品提升10%。 这一负极材料的特点是,高容量、高首效、低膨胀、低产气、长寿命,支持4C快充。蜂巢能源预计,纳米网硅负极搭配高镍正极,将率先在大圆柱电芯上实现应用,实现能量密度≥300Wh/kg。2025年,蜂巢能源搭配纳米网硅负极的高能量密度电芯产能将达到5GW

在本次的蜂巢能源电池日中,除了首秀的龙鳞甲电池,高速叠片技术3.0也成为掀起现场高潮的另一个亮点。

目前,我们常见到的动力电池,无论是磷酸铁锂还是三元锂电池,都同属于锂电池的范畴。而在锂电池材料的制造工艺中,会经常听到「卷绕」和「叠片」这两个词。而这两个词分别代表了电池制造的工艺,即卷绕工艺和叠片工艺。

一般来说,锂电池由正极、隔膜、负极三层组成,每层都是薄片。而所谓卷绕工艺,是指将原材料按照负极、隔膜、正极、隔膜的顺序叠在一起,通过卷绕法卷成圆柱形或方形再放置在金属外壳中。不过,这个方法对于圆柱电池来说,其电池材料可以做到很好的贴合,但是对于方形电池来说,卷起来的电芯材料套上方形电池外壳必然会在四周留有空隙,这对电池来说,绝对是一个浪费,除此之外,极片和隔膜因所受拉力容易不均匀,还会产生褶皱和对齐度不良等情况,让电池的良品率大打折扣。因此,为解决这方面问题,就不得不提电池的“叠片技术”了。

此次蜂巢能源发布的第三代高速叠片技术,创新性采用“极片热复合与多片叠融合”技术,完美处理了叠片过程中隔膜张力释放造成的褶皱问题。同时还开发出“多刀切、多片叠”技术,单片效率较上一代提升200%以上,其目标速度达到了0.125秒/片,相比第二代与第一代的效率直接翻倍(蜂巢能源第一代叠片技术的效率是0.6秒/片,第二代0.45/片)。并且,蜂巢能源还从易拉罐生产线得到灵感,把原来“一个流”的设备理念转变为批量处理的理念,实现一台设备上多片同时切、同时叠,实现了更简单机构的高效产出。

不仅如此,第三代高速叠片机技术还通过叠片后及时热压工艺方式,保证热压后极组的极片间处于稳定粘合状态,降低后工序造成错位风险,大幅提升良品率的同时还可降低产品安全风险。同时,增加了叠片CCD在线监测,保证叠片过程中对齐度不良可实时监测、不良剔除,使得产品缺陷检测能力大幅提升,进一步提升了产品安全性。

写在最后:

 其实对于这款电池来说,能将磷酸铁锂电池的优势充分发挥出来,单从这一点就已然很有优势了。我们知道,随着原材料供应链的成本越来越高,三元锂电池的热度也逐步开始降温,因此,像龙鳞甲电池这样的新电池技术必然将成为未来发展的主要方向。从,“叠片电池”到“无钴电池”、“短刀电池”、“蜂云平台”等等,能够看出蜂巢能源正在用创新的技术开拓者自己的疆土,而我们消费者也在这一波技术革新中享受着红利。

值得一提的是,龙鳞甲电池将陆续搭载到 2023 年量产车型,包括2023 年 10 月份量产的一款SUV和2023 年 10 月量产的一款轿跑,未来,它的走向将会如何,并且在实际性能上会有怎样的表现,我们拭目以待,共同期待答案来临的那一天。

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刘昊编辑
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