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如何突破电动汽车的四大瓶颈?动力电池制造工艺给出新答案 2019-09-02


安全、续航、寿命、价格,这是电动汽车与传统燃油车正面交锋时必须翻越的“四座大山”。而这“四座大山”,都与作为电动汽车“心脏”的动力电池直接相关。


在续航能力的提升上,包括合资品牌、自主品牌、新势力车企都在将车型开发重点往450km及更高的续航里程的产品上发力。这也给动力电池供应商带来了极大的压力。对此,电池企业一方面是加快比能量更高的高镍体系电芯的产品开发测试与产业化应用,而另一方面则已经通过推动电芯的大容量、大尺寸,再结合轻量化、无模组结构设计、简化电气设计等方式来提升系统级能量密度。


在安全性能的保障上,电动汽车在完成了从0到1之后,正在进入全面市场化的征途,而这个过程中,安全始终是一把高悬在顶的达摩克利斯之剑。2018年以来,电动汽车起火事故开始骤然增多,而据不完全统计,其中超过80%都是由于电池热失控引发,而这引发行业从材料体系选择、电芯设计与系统防护等环节来进行追溯与反思。对于电池企业而言,如何通过材料选择与控制、电芯级规格选型与设计、工艺革新与生产制造品质控制来保障电池安全,是眼下的“当务之急”。


在电动汽车生命周期内,用户最为关注的动力电池使用寿命。按照主流车企的规划,正在从8年16万公里的基础上,逐步向10年50万公里甚至更长的质保周期演进,这就对于动力电池的寿命提出了更高的要求。


而在价格维度上,在电动汽车价格上,动力电池的成本占到电动汽车成本的近50%,对此,车企已经给出了明确的方向,2020年电池系统成本达到100美元/Kwh,2025年达到80美元/Kwh以下。这个目标之下,正在倒逼动力电池企业通过多维度的方式来完成降本高压。


安全、续航、寿命、价格,要想翻越这“四座大山”,对于车企和动力电池供应商而言,最为紧要的就是通过电池环节的技术攻关与产品升级,来快速提升产品性能,使得电动汽车可以实现与传统燃油车的正面PK。


这其中,动力电池制造工艺的升级就是极为关键的一个环节。


一个必须正视的现实是,截至目前,动力电池目前的主流生产工艺,无论是以特斯拉和松下主导的圆柱路线,还是以三星、CATL主导的方形路线,仍还在沿用数码锂电时代的卷绕制造工艺。


不可否认,基于多年的技术沉淀和积累,卷绕工艺在生产设备、技术工艺、效率、成本等方面都具有明显的优势,但在车规级动力电池对于标准化、大容量和大尺寸的需求趋势下,卷绕工艺已经开始“力不从心”。


一方面,卷绕工艺下的电池内部结构不均一,充放电时电池的反应程度和内部速率不匀,不仅电池难以做大做厚,而且存在变形问题。而在能量密度的提升上,在导入硅系负极时,由于其易膨胀,加之卷绕式极组容易出现最内圈极片断裂问题,进而限制了硅材料添加量,进而对于能量密度提升效果有限,同时还存在较大的安全隐患,影响电池使用寿命。


在此背景下,叠片工艺具备内阻低、能量密度高、高倍率放电容量较高、不容易变形等综合优势,已经成为产业下一步发展的必然趋势。


按照叠片工艺生产出来的卷芯能够实现尺寸灵活,不受卷绕卷针结构的限制,层叠方式生产,极片的界面平整度高,未来在车规级动力电芯领域将得到广泛应用。


数据显示,和传统卷绕工艺电池相比,叠片工艺的电池边角处空间利用率更高,能量密度可提高5%;全生命周期更低变形和膨胀,循环寿命提升10%以上;边缘结构更简单,结构适应性更好,电池安全性更高。


尽管叠片工艺对于动力电池性能的提升优势明显,但摆在产业链企业面前的现实问题是,受制于设备、工艺、制造、效率等的瓶颈,叠片工艺在实际的产业化应用中还面临着诸多难题,这也成为动力电池行业发展过程中的阻碍。仅以叠片设备为例,其就面临三大困境,一是设备效率慢。目前叠片机行业效率普遍在0.8秒/片的效率。二是折叠过程中的对齐精度不高,从而影响电池的最终性能。三是产线连贯自动化程度偏低。对于动力电池企业而言,谁能在叠片工艺上率先突破,就意味着能在产业发展的滚滚洪流中脱颖而出。


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