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如何突破電動汽車的四大瓶頸?動力電池製造工藝給出新答案 2019-09-02


安全、續航、壽命、價格,這是電動汽車與傳統燃油車正面交鋒時必須翻越的“四座大山”。而這“四座大山”,都與作為電動汽車“心臟”的動力電池直接相關。


在續航能力的提升上,包括合資品牌、自主品牌、新勢力車企都在將車型開發重點往450km及更高的續航里程的產品上發力。這也給動力電池供應商帶來了極大的壓力。對此,電池企業一方面是加快比能量更高的高鎳體系電芯的產品開發測試與產業化應用,而另一方面則已經通過推動電芯的大容量、大尺寸,再結合輕量化、無模組結構設計、簡化電氣設計等方式來提升系統級能量密度。


在安全性能的保障上,電動汽車在完成了從0到1之後,正在進入全面市場化的征途,而這個過程中,安全始終是一把高懸在頂的達摩克利斯之劍。2018年以來,電動汽車起火事故開始驟然增多,而據不完全統計,其中超過80%都是由於電池熱失控引發,而這引發行業從材料體系選擇、電芯設計與系統防護等環節來進行追溯與反思。對於電池企業而言,如何通過材料選擇與控制、電芯級規格選型與設計、工藝革新與生產製造品質控制來保障電池安全,是眼下的“當務之急”。


在電動汽車生命週期內,用戶最為關注的動力電池使用壽命。按照主流車企的規劃,正在從8年16萬公里的基礎上,逐步向10年50萬公里甚至更長的質保週期演進,這就對於動力電池的壽命提出了更高的要求。


而在價格維度上,在電動汽車價格上,動力電池的成本占到電動汽車成本的近50%,對此,車企已經給出了明確的方向,2020年電池系統成本達到100美元/Kwh,2025年達到80美元/Kwh以下。這個目標之下,正在倒逼動力電池企業通過多維度的方式來完成降本高壓。


安全、續航、壽命、價格,要想翻越這“四座大山”,對於車企和動力電池供應商而言,最為緊要的就是通過電池環節的技術攻關與產品升級,來快速提升產品性能,使得電動汽車可以實現與傳統燃油車的正面PK。


這其中,動力電池製造工藝的升級就是極為關鍵的一個環節。


一個必須正視的現實是,截至目前,動力電池目前的主流生產工藝,無論是以特斯拉和松下主導的圓柱路線,還是以三星、CATL主導的方形路線,仍還在沿用數碼鋰電時代的捲繞製造工藝。


不可否認,基於多年的技術沉澱和積累,捲繞工藝在生產設備、技術工藝、效率、成本等方面都具有明顯的優勢,但在車規級動力電池對於標準化、大容量和大尺寸的需求趨勢下,捲繞工藝已經開始“力不從心”。


一方面,捲繞工藝下的電池內部結構不均一,充放電時電池的反應程度和內部速率不勻,不僅電池難以做大做厚,而且存在變形問題。而在能量密度的提升上,在導入矽系負極時,由於其易膨脹,加之捲繞式極組容易出現最內圈極片斷裂問題,進而限制了矽材料添加量,進而對於能量密度提升效果有限,同時還存在較大的安全隱患,影響電池使用壽命。


在此背景下,疊片工藝具備內阻低、能量密度高、高倍率放電容量較高、不容易變形等綜合優勢,已經成為產業下一步發展的必然趨勢。


按照疊片工藝生產出來的卷芯能夠實現尺寸靈活,不受捲繞卷針結構的限制,層疊方式生產,極片的介面平整度高,未來在車規級動力電芯領域將得到廣泛應用。


資料顯示,和傳統捲繞工藝電池相比,疊片工藝的電池邊角處空間利用率更高,能量密度可提高5%;全生命週期更低變形和膨脹,迴圈壽命提升10%以上;邊緣結構更簡單,結構適應性更好,電池安全性更高。


儘管疊片工藝對於動力電池性能的提升優勢明顯,但擺在產業鏈企業面前的現實問題是,受制於設備、工藝、製造、效率等的瓶頸,疊片工藝在實際的產業化應用中還面臨著諸多難題,這也成為動力電池行業發展過程中的阻礙。僅以疊片設備為例,其就面臨三大困境,一是設備效率慢。目前疊片機行業效率普遍在0.8秒/片的效率。二是折疊過程中的對齊精度不高,從而影響電池的最終性能。三是產線連貫自動化程度偏低。對於動力電池企業而言,誰能在疊片工藝上率先突破,就意味著能在產業發展的滾滾洪流中脫穎而出。


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