大圓柱電池“浪潮”下，全極耳技術(shù)破局“快充+續(xù)航”

頂尖車企相繼“牽手”大圓柱電池，正引領(lǐng)行業(yè)新風(fēng)向。

GGII最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1-10月，全球新能源車合計(jì)銷售763.8萬輛，同比增長61%。一方面，新能源車滲透率正不斷提高，已接近30%；另一方面，鋰電池作為新能源車的“核心”，與新能源車“同頻共振”，1-10月合計(jì)裝機(jī)量369.81GWh。

動(dòng)力電池?！傲俊?，更要?！百|(zhì)”，由于新能源車對(duì)安全性能、續(xù)航里程、充電速度等要求在不斷提高，哪種形態(tài)的電芯最適合新能源汽車應(yīng)用是目前熱議的話題，新能源車市場正倒逼電池企業(yè)不斷更新突破電池技術(shù)、不斷推出創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)的電池產(chǎn)品。

就當(dāng)下而言，方形電池、軟包電池、圓柱電池優(yōu)勢各異，是目前動(dòng)力電池市場的三大主流產(chǎn)品。其中，圓柱電池憑借著在成本、性能與安全等方面的優(yōu)勢，備受市場關(guān)注，這主要由于其單體和電池包結(jié)構(gòu)特性，單體體積最小，便于熱管理，可以靈活利用異形空間，高度標(biāo)準(zhǔn)化的形態(tài)利于平臺(tái)化及迭代。

此外，圓柱電池單獨(dú)外殼保護(hù)和獨(dú)立泄壓裝置，具有多重保障；電芯蜂窩狀排列，空隙保障了足夠大的單體與外部熱交換面積；更重要的是，其中心對(duì)稱的圓形結(jié)構(gòu)可以在全生命周期有效束縛內(nèi)部極片的膨脹，使得電芯外部不發(fā)生任何形變。

從市場來看，今年4月，特斯拉向客戶交付了第一批配備無極耳4680 電池的 Model Y車輛；近期，特斯拉消息稱，其4680電池團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了86.8萬/周的電池制造實(shí)力，可支持裝備1000多輛Model Y車型。

無獨(dú)有偶，寶馬集團(tuán)也宣布，將從2025年起率先在“新世代”車型中使用46系大圓柱全極耳電池。頂尖車企相繼“牽手”大圓柱電池，正引領(lǐng)行業(yè)新風(fēng)向。

全極耳技術(shù)“突破”? 大圓柱電池“出擊”

然而，在此前一段時(shí)間內(nèi)，圓柱電池囿于尺寸及容量問題，應(yīng)用場景受限。電池放電過程中電流通過銅箔、鋁箔匯集，并通過極耳導(dǎo)出到外電路，由于電阻的存在，電池在充放電的過程中不利于電流傳導(dǎo)，電池充放電時(shí)極易導(dǎo)致局部熱量過大，存在安全隱患。

此外，由于電芯尺寸做大，特別是大電流充放電的過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的歐姆熱，引起電池溫度的升高，越粗越大的電芯發(fā)熱越多、散熱越難，進(jìn)而影響充電速度。

因此，如何解決電芯尺寸做大和發(fā)熱減少的悖論成為其中關(guān)鍵。經(jīng)過行業(yè)的不斷研究，“全極耳”技術(shù)成為解決圓柱電芯的功率性能、安全問題瓶頸的關(guān)鍵所在。

具體來看，全極耳電池是利用全極耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接和導(dǎo)流的新型電池，將電芯極片與集流盤通過激光技術(shù)進(jìn)行本材連接，使極片與蓋板之間過電流能力不低于極片本身，從而大幅提升電池過電流能力、降低電池發(fā)熱量，突破了圓柱電池的瓶頸。

技術(shù)突破下，Panasonic、LG Chem、Samsung SDI和比克電池等國內(nèi)外電池制造商已經(jīng)確認(rèn)大圓柱電池的開發(fā)。值得一提的是，比克作為國內(nèi)首發(fā)4680全極耳大圓柱電池的電池企業(yè)，已開始規(guī)劃大尺寸圓柱電池量產(chǎn)生產(chǎn)基地，量產(chǎn)指日可待。

從產(chǎn)品矩陣來看，比克大圓柱電池的產(chǎn)品包括46系、3x系和26系等系列，電芯高度覆蓋70mm到160mm，應(yīng)用范圍十分廣泛。值得一提的是，比克大圓柱電池得到了多方實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其材料體系可解決能量密度問題，進(jìn)而解決續(xù)航問題；全極耳設(shè)計(jì)則大幅降低了內(nèi)阻，進(jìn)而對(duì)安全保障起到了重要影響。

“快充+熱管理”認(rèn)證? 比克大圓柱“領(lǐng)跑”行業(yè)

此前，國際老牌能源類頂級(jí)雜志《Journal of Power Sources》發(fā)表了“全極耳大圓柱鋰離子電池在不同環(huán)境條件下的快速充電性能和最佳熱管理”文章，是鋰電行業(yè)內(nèi)首篇使用真實(shí)商業(yè)化的全極耳大圓柱電池驗(yàn)證數(shù)字模型結(jié)論的文章。

該權(quán)威論文使用的全極耳大圓柱電池由比克提供，作者基于專門為汽車高性能應(yīng)用設(shè)計(jì)的、成熟的比克全極耳大圓柱電池，建立了熱-電-電化學(xué)耦合模型，探究了該電芯的最優(yōu)化充電時(shí)間和熱管理策略。

在嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件下，比克全極耳大圓柱電池表現(xiàn)優(yōu)異：在20°C環(huán)境下，可11分53秒內(nèi)將電池從10%充到80%；在零下20°C環(huán)境下，可將10%-80%的快充時(shí)間優(yōu)化到15分58秒的水平。

總的來看，比克電池在該實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了不到12分鐘從10%充電到80% SOC 的快速充電時(shí)間，快充性能相比常規(guī)單極耳電芯可實(shí)現(xiàn)三倍提升，相當(dāng)于520公里續(xù)航里程，展示了比克全極耳大圓柱電池的巨大潛力。此外，比克電池在快速充電過程，沒有發(fā)生析鋰現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，比克大圓柱電池在全極耳設(shè)計(jì)下，采用了鋼殼的外殼材質(zhì)，配套了單獨(dú)外殼保護(hù)和獨(dú)立泄壓裝置，通過定向泄壓技術(shù)，比克全極耳大圓柱電池可以做到整車層面零熱擴(kuò)散，保證電池包整體的安全和電池全生命周期品質(zhì)的始終如一，熱管理問題得到大幅改善。

與此同時(shí)，由于全極耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，大圓柱電池在材料系統(tǒng)的探索上更為大膽，高鎳三元正極材料、硅基負(fù)極材料等在大圓柱電池上的使用更為廣泛，其能量密度也得到了大幅提升。

正極材料方面，比克全極耳大圓柱電池正極鎳含量已由Ni50提升到Ni90，容量持續(xù)提升，18650電芯量產(chǎn)最高容量達(dá)3.5Ah，21700電芯量產(chǎn)最高容量達(dá)5.3Ah，再次突破了21700系列電芯量產(chǎn)容量極限。

負(fù)極材料方面，比克電池較早開始對(duì)硅用圓柱電池負(fù)極材料進(jìn)行研究。目前，比克硅氧材料由一代硅已發(fā)展到三代硅，將首效由77%提升至86%，基本達(dá)到與正極效率匹配。

在對(duì)新材料系統(tǒng)的探索下，安全方面問題也不容忽視。相比石墨材料，硅基材料在充放電過程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的體積膨脹，高達(dá)300%，而圓柱電池通常采用鋼殼，機(jī)械強(qiáng)度大，有著很好的束縛力，能夠有效抑制硅的膨脹形成天然屏障。

產(chǎn)品與產(chǎn)能共振? 比克“多線”布局大圓柱

大圓柱電池能夠在保障安全和足夠的續(xù)航里程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升快充性能，助力電動(dòng)車使用體驗(yàn)媲美燃油車。在此情況下，大圓柱電池產(chǎn)能需要配合當(dāng)下高速增長的新能源車市場。

比克電池作為國內(nèi)較早一批研究全極耳大圓柱電池的企業(yè)，自2021年初在國內(nèi)率先發(fā)布全極耳大圓柱電池至今，比克電池在大圓柱電池技術(shù)研發(fā)和市場化推進(jìn)上態(tài)勢強(qiáng)勁，訂單和意向客戶持續(xù)增加，比克大圓柱產(chǎn)品矩陣包括46系、3x系和26系等。

具體來看，比克46系電芯去年開始陸續(xù)有樣品批量交付，性能表現(xiàn)符合預(yù)期，依據(jù)8-15分鐘的不同快充能力，目前電芯能量密度在280Wh/kg至330Wh/kg之間。

比克26系則以26105鋁殼電芯為主，目前處于B樣階段，應(yīng)用于整車可達(dá)700公里以上續(xù)航，快充12分鐘以內(nèi)可達(dá)500公里續(xù)航，量產(chǎn)后能量密度將高達(dá)290Wh/kg。

比克3x系則處于二者之間，是比克為了進(jìn)一步綜合優(yōu)化性能、成本、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等因素在開發(fā)的新平臺(tái)。

為迎接即將到來的大圓柱電池?cái)U(kuò)產(chǎn)潮，比克電池提前規(guī)劃，未來幾年，比克將分兩個(gè)階段在海內(nèi)外擴(kuò)充80GWh的電池產(chǎn)能。同時(shí)，比克也將持續(xù)向碳中和目標(biāo)邁進(jìn)，打造零碳工廠，滿足碳排放和碳足跡的需求，以行業(yè)領(lǐng)先水平為目標(biāo)，持續(xù)減少碳排放，積極探索電池全生命周期碳中和路徑。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2022年有近60家企業(yè)正在進(jìn)行圓柱全極耳電池的研發(fā)和中試測試，有10余家基本已經(jīng)走到量產(chǎn)階段；與此同時(shí)，材料、設(shè)備等上下游企業(yè)也正加碼高鎳、硅負(fù)極等材料布局，加速對(duì)全極耳技術(shù)的設(shè)備導(dǎo)入。從行業(yè)整體來看，全極耳大圓柱電池量產(chǎn)或?qū)⒃?023年迎來高速增長。