完成三種材料體系開發(fā)，遠東電池46系大圓柱量產(chǎn)提速
大圓柱電池產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)到來。今年包括特斯拉、億緯鋰能等企業(yè)研發(fā)的大圓柱電池已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。業(yè)界預(yù)計2024年大圓柱產(chǎn)量會較今年增長4倍以上，2025年預(yù)計會較今年增長10倍左右。
憑借極致性能、更高安全和更低成本等多重優(yōu)勢，大圓柱電池已成為電池企業(yè)重點布局的新一代技術(shù)路線。
除了億緯鋰能、寧德時代、比亞迪(弗迪電池)、遠景動力、國軒高科、蜂巢能源等動力領(lǐng)域頭部玩家，長期深耕圓柱電池領(lǐng)域的細分領(lǐng)域企業(yè)，憑借在圓柱電池工藝、材料、結(jié)構(gòu)和制造層面的創(chuàng)新積累，正率先撬開圓柱電池產(chǎn)業(yè)化大門。
在日前舉行的第八屆動力電池應(yīng)用國際峰會上，江西遠東電池有限公司王左誠博士發(fā)表了題為《大圓柱電芯的前景與挑戰(zhàn)》的主題演講，介紹了遠東電池在大圓柱領(lǐng)域的技術(shù)布局，以及在小動力、大動力和儲能領(lǐng)域的多體系大圓柱電池產(chǎn)品矩陣。
圖為江西遠東電池有限公司王左誠博士
在電動汽車動力電池集成化趨勢下，圓柱電池只有尺寸做大，才能契合CTP、CTC的發(fā)展思路。以特斯拉Model Y為例，其21700電芯數(shù)量高達4000個，而使用4680大圓柱電池，電芯數(shù)量縮減到900個，不僅大幅提升了系統(tǒng)空間利用率，同時極大減少了零部件，降低了BMS管理難度等。
當然，圓柱電池做大，也有著更大的性能和價值可以挖掘。
在性能方面，大圓柱電池有著高能量密度、高倍率和高效率三大優(yōu)勢。
在能量密度方面，據(jù)王左誠介紹，相同電池材料體系下，大圓柱電池能量密度可以做到更高。目前，遠東電池針對市場和客戶需求，已經(jīng)開發(fā)了一系列高能量密度、高倍率的18650、21700系列產(chǎn)品，建立了多元化、多重適用性的產(chǎn)品矩陣，全面覆蓋小動力市場不同應(yīng)用場景的需求。其中，公司在行業(yè)內(nèi)率先量產(chǎn)的超寬溫域18650-4000mAh、21700-6000mAh，突破了18650、21700系列電池量產(chǎn)能量、容量極限，“以目前量產(chǎn)可以做到的21700圓柱電芯為例，其能量密度達到300Wh/kg，但在公司開發(fā)的4680圓柱尺寸下，其能量密度達到308Wh/kg。”
同時，相較于方形、軟包及小圓柱電池，46系列大圓柱電池采用鋼殼結(jié)構(gòu)，安全性更好，可以使用高鎳+硅碳，相比傳統(tǒng)三元+石墨體系能量密度提升30%。
倍率方面，46系列大圓柱電池采用了全新的全極耳(也稱“無極耳”)工藝，發(fā)熱量大幅降低，倍率性能優(yōu)異，在大倍率充放電的情況下溫升比小圓柱電池降低20%。
成組和集成效率方面，單顆4680圓柱電池能量是單顆21700圓柱電芯的5倍，是18650圓柱電芯的7.5倍。因此在電芯成組上，可大幅減少電芯數(shù)量，系統(tǒng)集成效率提升5%以上，使圓柱電芯在整車CTP、CTC上成為可能。
在安全方面，大圓柱電池相較于傳統(tǒng)小圓柱電池優(yōu)勢也非常明顯。
首先，全極耳圓度優(yōu)于傳統(tǒng)極耳，側(cè)向形變小，大圓柱電芯結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定;
其次，大圓柱電芯可以通過底部進行散熱冷卻，散熱效率高于側(cè)面冷卻的散熱效率。在整個電池包系統(tǒng)中熱量分布更加均勻;
再者，大圓柱設(shè)計有防爆閥，當電芯內(nèi)壓過高的時候，可以進行定向泄壓，避免電芯產(chǎn)生爆炸。
成本優(yōu)勢也同樣明顯。據(jù)王左誠介紹，大圓柱成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在材料成本、制造成本和系統(tǒng)成本等多個維度。
材料成本方面，因電芯尺寸變大，大圓柱電池結(jié)構(gòu)件占比會明顯減少。以鈉離子電池為例
21700電芯鋼殼+蓋帽成本占比16%;同材料體系下，4680電芯鋼殼+蓋帽成本占比6%，結(jié)構(gòu)件等材料成本下降10%左右。
制造成本方面，圓柱電池采用卷繞生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品一致性好，成本低于方形疊片成本。
系統(tǒng)成本方面，因尺寸變大，同體積下電芯用量減少，BMS管理難度降低，成組效率提升，系統(tǒng)成本也會有明顯下降。
盡管大圓柱電池優(yōu)勢明顯，但在產(chǎn)業(yè)化過程中仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。王左誠表示，大圓柱電池采用全極耳工藝，在揉平、整形、焊接、以及開口化成等方面都會遇到一系列的工藝問題，目前幾乎所有廠家都面臨產(chǎn)線良率和品控問題，需要通過技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化工藝，從而提升產(chǎn)品整體良率。
據(jù)介紹，遠東電池46系列大圓柱電池從單體到系統(tǒng)進行了全面技術(shù)創(chuàng)新賦能。
在結(jié)構(gòu)開發(fā)方面，除了普遍采用的無極耳結(jié)構(gòu)，遠東電池還采用了雙重封口設(shè)計，降低了電芯漏液風(fēng)險，兩側(cè)防爆閥設(shè)計可根據(jù)需求定向泄壓，進一步提升了電芯的安全性能;公司46系列大圓柱電芯支持開口化成，解決了采用硅基負極和鈉離子電池化成過程中產(chǎn)氣問題;底部連接設(shè)計：卷芯通過集流盤與鋼殼直接連接，具備優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)流作用;雙向焊接：具備同側(cè)或異側(cè)PACK成組焊接。
據(jù)王左誠介紹，針對新能源汽車、儲能和小動力等不同應(yīng)用場景，遠東電池46系大圓柱適配不同的化學(xué)體系，包括高鎳三元+硅基體系、磷酸鐵鋰體系和鈉離子電池體系等。
其中高鎳三元結(jié)合硅基負極的高能材料體系，將產(chǎn)品能量密度提升至308Wh/kg;搭配復(fù)合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則可提升產(chǎn)品的快充性能，實現(xiàn)15分鐘充電80%;進一步結(jié)合低溫電解液技術(shù)，可讓產(chǎn)品在-40℃正常放電使用，破解用戶對新能源汽車的冬季續(xù)航里程“焦慮”。
演講中，王左誠還就硅基負極易膨脹等挑戰(zhàn)，分享了遠東電池針對這一行業(yè)痛點的材料、技術(shù)和工藝創(chuàng)新。
遠東電池開發(fā)的大圓柱鈉離子電池，可以實現(xiàn)在-40℃正常放電使用，循環(huán)壽命達到3000次，且具備5C超高倍率性能;公司開發(fā)的大圓柱鐵鋰電池，循環(huán)壽命達到8000次。
得益于圓柱電池的高性能、低成本和高集成優(yōu)勢，圓柱電池有望在中高端車型市場重回主流，目前頭部電池企業(yè)都在深度布局這一領(lǐng)域。作為深耕圓柱電池領(lǐng)域多年的遠東電池，其圓柱電池已經(jīng)服務(wù)超過8萬輛電動汽車、300萬輛電動輕型車，且公司產(chǎn)品已經(jīng)廣泛配套儲能等不同應(yīng)用場景。依托在圓柱領(lǐng)域的積累和創(chuàng)新力，已經(jīng)突破圓柱電池工藝、結(jié)構(gòu)、材料和系統(tǒng)開發(fā)的遠東電池，有望在大圓柱的賽道大有可為。
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