比亞迪如推出三元鋰刀片電池,能否打敗特斯拉?刀片電池技術分析

2020-12-25 黑洞科技觀察

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大家好,我在上一篇文章特斯拉掀起動力電池大戰,國內廠商無力抵抗?三元鋰電芯對比分析中分析 了軟包、方塊和圓柱形三元鋰電芯的特點和發展趨勢,結論是軟包和方塊電池都很難同時在系統能量密度和量產性上超過特斯拉4680圓柱電池。

今天,我們的主角是比亞迪刀片電池。我們一起分析一下,如果刀片電池採用三元鋰材料,能不能和特斯拉4680一決高下?

為什麼要討論三元鋰

隨著冬天的來臨,搭載磷酸鐵鋰刀片電池的比亞迪漢迎來了嚴峻的考驗。當然,同樣搭載了磷酸鐵鋰電池的Model 3也面臨著考驗。

對於冬季續航的尷尬,Model 3車主尚能調整心態,因為買車的時候就知道磷酸鐵鋰的低溫缺點,心裡預期比較低。

可漢的車主就沒那麼淡定了,這從近期媒體文章也能看出來。因為比亞迪在推出刀片電池的時候,對低溫性能的描述給用戶帶來了無限遐想。

有網友甚至找出了比亞迪官方膠片來調侃:「按照柱狀圖比例,百分比顯然是100%、70%、40%、40%,做PPT的人還是誠實的。」

磷酸鐵鋰的冬季續航問題,始終是電動汽車繞不過去的坎。我們不能抱著安全性大旗,把電動汽車困在磷酸鐵鋰的圍城中。

由於補貼越來越少,能量密度的重要性也越來越小,因此越來越多的低端車型選擇了低成本的磷酸鐵鋰。

但高端車型,始終把三元鋰電池作為技術發展方向。在固態電池尚不明朗的情況下,高端車型也只能在鎳含量和安全性之間做平衡。

保守如蔚來者,從NCM811退回到了523;激進如特斯拉者,將選擇LG的NCAM電池,鎳含量高達90%。

就連比亞迪自己,也沒有拋棄三元鋰,比亞迪也說過刀片電池可以應用於三元鋰。

所以,本文討論的內容不是憑空想像,完全有現實基礎。

三元鋰刀片電池的性能

咱們按照先易後難的原則,先看看假如刀片電池用上了三元鋰材料,能達到什麼樣的性能。

按照比亞迪公布的數據,磷酸鐵鋰刀片電芯的長度最長可以到2.5米,而比亞迪漢搭載的刀片電池,電芯長度大概0.9米,電芯容量為202Ah,電芯電壓3.2V,電池包77KWh,電池包電壓384V,電芯數量120個,漢申報的系統能量密度為140Wh/kg。

我們就以漢的刀片電池為例子,如果換成了三元鋰材料,按照三元鋰和磷酸鐵鋰方塊電芯能量密度分別是250Wh/kg和170Wh/kg做比較,單個電芯的容量變成264Ah,電芯電壓3.6V。

電池包還是120個電芯,容量114KWh,電壓432V,系統能量密度為205Wh/kg。

哇,這個效果,可真不錯!

114度電,蔚來剛剛推出的電池包才100度,漢如果搭載了這樣的電池,NEDC能達到900公裡!

除了電量,能量密度也是空前的高,我在上一篇文章中說了軟包三元鋰電芯的系統密度,北汽最好做到了194Wh/kg。

既然性能這麼強大,為什麼比亞迪遲遲不啟動三元鋰版本的刀片電池研發呢?

刀片電池強大的潛力,好像被封印了一樣,只能用在能量密度更低的磷酸鐵鋰上,這到底是為什麼?

想解開這個謎團,就得對刀片電池有一定的了解。

我們接下來就詳細說說刀片電池。

刀片電芯的本質

我們先簡單說說傳統方形電芯。

方形電芯的特點是單體能量密度大,成組結構簡單,利用率大,電芯更容易管理。

所以方形電芯更適合推廣普及,這也是現在國內方形電芯裝車量佔據半壁江山的根本原因。

方形電芯要提高系統能量密度,一個重要途徑是加大電芯容量。舉個極端點兒的例子,如果整個電池包就一個方形電芯,那能量密度豈不是最高。

可是要讓電芯容量大,體積就得大,散熱也就更難了。而散熱要好,就得面積更大。

所以對於方形電芯,體積要大,面積也要大,就只能越來越薄,這和攤大餅是一個道理。

電芯最終要組成電池包,所以高度不能增長,那就只能是長度越來越長,厚度越來越薄。

這個進化過程做到極致,就是刀片電池。

這就是刀片電池的來歷,所以本質上刀片電池就是方形電池的極限化。

但只是把電芯做成刀片形狀,是不會得到專利保護,就連外觀專利都不算。

那比亞迪在刀片電芯上面到底做了什麼創新,才能獲得專利保護呢?

我們接著說刀片電芯的細節。

刀片電芯不是電芯

怎麼聽著這麼亂?像京劇《紅燈記》裡面的「你爹不是你親爹,你奶奶也不是你親奶奶!」

大家別急,聽我慢慢講。

對於傳統鋰電池電芯,大家應該有所了解:

電芯內部主要是正負極極片,中間有絕緣隔膜,極片和隔膜都泡在電解液中,只有正負極極耳伸出電芯。

為了增加容量,電芯裡面肯定要儘可能多的放極片,極片怎麼放入電芯中呢?

主要有兩種方式:卷繞和疊片。

卷繞是一種常用的方式,正負極極片是連續的長片,在電芯裡面一圈圈纏繞,捲成圓就是圓柱電芯,捲成扁的就是方形電芯,再扁點就可以做成軟包電芯。

疊片,是將連續的極片切成相同的很多份,然後疊放到一起,正負極片之間加上隔膜。就像是撲克牌疊在一起一樣,然後放入電芯殼體,可以做方形和軟包電芯,但是不能做圓柱電芯。

卷繞的方式極耳一般各有一個,所以電芯內阻更大。疊片的方式每個極片都有極耳,所有極耳焊在一起,所以內阻更小。

疊片取代卷繞是大趨勢,比亞迪等廠家,都在把工藝向疊片切換,但是疊片也有問題,加工工藝更複雜,一致性更難控制,每一片都要多切好幾刀,每一刀都能導致極片上產生毛刺,進而引起電池內短路,造成嚴重事故隱患。

說這麼多極片結構,就是想告訴大家,刀片電芯0.40米到2.5米長,裡面的極片用傳統方式可不容易放進去。

所以,比亞迪是這樣設計的:

比亞迪專利

大家可以看到,刀片電芯裡面的極片被分成了幾組,也叫極芯組。每個極芯組有單獨的極耳,所有極芯組在刀片腔體內串聯或者並聯。如果是串聯就要單獨封裝然後加電解液,如果是並聯可以一起泡在電解液中。頭尾的兩個極芯組伸出極耳,形成刀片電芯的正負極。

比亞迪對外公布的漢的刀片電芯電壓是3.2V,所以這些極芯組在刀片電芯內部應該是並聯。

每個極芯組,又可以由一個或多個極芯並聯構成,這對纏繞生產方式是很有必要的,避免單個極片過長。

大家看到這,應該能明白,如果把每個極芯組單獨封裝,它就是一個電芯,所以刀片電芯本質上不是電芯,而是一個包含多個電芯的微模組

而比亞迪刀片電池的專利,也不只是把極芯組都塞到一個腔體裡,因為2011年就有這樣的專利申請,但是被駁回了,沒有創新。

比亞迪的專利,包括一系列極芯組之間的結構設計,解決了密封、灌電解液,氣壓密閉、極芯組監測等技術難題。

(註:如果感興趣的讀者多,我後面可以單獨講解比亞迪刀片相關專利)

舉個例子,刀片電池就像人體魔術一樣,看起來一個人躺在箱子裡。一刀切下去沒事兒,實際是兩個人在箱子裡。

可能有讀者會問,為什麼要在內部搞多個極芯組,直接把極片全部塞進刀片電芯裡不行麼?

問的好,在目前的技術下,確實不好搞!

刀片電池從0.4米到2.5米,直接把極片放進去,首先極片內阻會很大,其次極片加工太困難,最後極片之間不好壓合,鋰離子沒法高效交換。

總之,如果能把極片一股腦塞進刀片電池,那就又變成了上面說的方塊電芯扁平化,這是很難申請到專利保護的。如果能做到,那其他廠家也早就做了。

所以,至少在可預見的將來刀片電池就是一個微模組的形式。

刀片電芯的能量密度為什麼高

說清楚了刀片電芯的結構,也就能理解刀片電芯為什麼比軟包電芯的系統能量密度還高。

這也不奇怪,因為軟包電芯成組的時候,每個電芯都要加上固定用的結構件。而刀片的殼體,就相當於給軟包電芯做了一個長的結構件,而且這個結構件又直接作為電池包的橫梁。

一魚兩吃,肯定更好!

所以說,刀片電池匯集了方塊和軟包電芯兩者的優點,是方塊和軟包兩者共同的CTP方案!

上一篇文章的結論是軟包和方塊電池都很難同時在系統能量密度和量產性上超過特斯拉4680圓柱電池。

而刀片電池集中了方塊和軟包兩者的優點,如果真的能夠應用於三元鋰,那麼未來肯定可以和特斯拉4680一決高下!

當然,集中了全部的優點,也就集中了全部的缺點。

接下來我們就說一說刀片結構應用在三元鋰上的困難。

三元鋰刀片電池的困難

前途是光明的,道路是曲折的!

道理誰都能說出一大堆,可要真把三元鋰極片塞到刀片電芯裡面,問題可不少。要不然也不用我在這長篇大論了,比亞迪早就把三元鋰刀片做出來,漢的續航也奔著1000公裡去了。

會有哪些問題呢?

一、安全性問題:

1、電芯管理

由於刀片電芯是微模組的模式,內部有幾個並聯或串聯的未封裝極芯組。這些極芯組在充放電的時候是單獨工作的,相當於電芯。

這一結構對三元鋰非常敏感,三元鋰在充放電的時候一定要監控到每一個電芯的工作狀態。這些極片組的SOC不一樣,溫度也不一樣,雖然電解液會將溫度擴散出去,但是仍然很危險。

把這些極芯組封裝起來測量,比單獨測量方塊電芯要更困難。

2、洩壓通道

極芯組被封裝在了狹長的刀片腔體內,而且有隔板。三元鋰在充放電中更容易產生氧氣,導致內部壓力變化,這對刀片結構是很大的挑戰。

更嚴重的是,如果產生內短路導致熱失控,狹長的腔體是不利於壓力釋放的,尤其是內短路發生在中間的極芯組。

既然舉起了安全性大旗,那麼安全性就是比亞迪的招牌,這也是比亞迪不敢在刀片電池上面採用三元鋰的最大障礙。

而磷酸鐵鋰固有的安全性優點,就是比亞迪選擇它的根本原因。

二、生產問題:

1、生產經驗

眾所周知,比亞迪是靠磷酸鐵鋰起家的。

從2017年轉向三元鋰以來,比亞迪在三元鋰上面一直採用比較保守的路線。

一方面是比亞迪對安全的重視,另一方面也是三元鋰生產經驗不足。

方塊三元鋰比亞迪還沒有搞到最好,更別說刀片電池了。

2、產能消化

比亞迪在磷酸鐵鋰上的投入是巨大的,尤其是客車。

在推出刀片電池之前,比亞迪客車的磷酸鐵鋰電池就達到了400mm長。

客車磷酸鐵鋰電芯

比亞迪利用刀片電池安全性高的熱潮,去消化磷酸鐵鋰的產能,要比強行突破三元鋰的能量密度,穩妥的多。

畢竟0.9米的刀片就是2個客車電芯加起來,1.2米就是3個加起來,2米就是5個加起來!

三、售後問題:

1、電池平衡

鋰電池隨著使用時間增加,極芯組的SOC將越來越不平衡。對於普通電芯來說,實在不行拆開電池包做個平衡就行了,可是刀片電芯把這些極芯組封裝起來,事情就不容易了。

磷酸鐵鋰電芯的SOC檢測精度沒那麼高,平衡還不明顯,可是三元鋰如果SOC不平衡,BMS就報異常了。

2、碰撞修復

刀片電芯組成電池包的方式比較徹底,用膠黏在一起。

如果出現碰撞等情況要修復,難度就大了。對於無法修復的情況,三元鋰的成本比磷酸鐵鋰要高。

比亞迪的困局

讀到這,大家能夠看到,刀片電池雖然潛力巨大,但是要用在三元鋰上,困難真的是非常多!

其實對於任何一個企業,正向研發的困難都是很大的。

特斯拉走圓柱電芯的路線,也面臨成組效率低,極耳發熱大,三元鋰不安全等問題。

特斯拉選擇的是迎難而上,成組效率低就加大尺寸,極耳發熱大就取消極耳,三元鋰不安全就加強BMS管理。

如果比亞迪卯足了勁要在三元鋰上做出一番成績,也不是沒方法。

但是現在這些困難對比亞迪來說,就是很難。

究其原因是比亞迪和特斯拉之間的差異,特斯拉是馬斯克硬生生從投資人那裡忽悠出來的。而比亞迪是從傳統製造業起家一點點幹出來的。

所以他們對風險的理解完全不一樣。

讓比亞迪走特斯拉的路,太難了!

這也是比亞迪的實力被封印的根本原因。

我關於刀片電池的所有文章,觀點一直沒變。那就是:刀是一把好刀,但暫時還沒用好!

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