12分鐘充500公里：揭秘理想寧德如何造出這塊最速電池？

作者｜王飛，郵箱｜wf@pingwest.com

理想MEGA近日刷屏了。

但我們發(fā)現(xiàn)關(guān)于理想MEGA的由來很多人沒有講到，其實(shí)故事來自于理想汽車創(chuàng)始人李想——

幾年前，李想本人開著一輛知名豪華品牌的商務(wù)MPV帶著一家人去阿那亞度假，路上他一邊開一邊罵，功能和體驗(yàn)都太差了，于是回到公司后召集了一些高管說，我們能不能做一輛MPV。

不過當(dāng)時(shí)的“配套”并不滿足理想對(duì)于這輛MPV的要求，比如把一個(gè)1.5T的發(fā)動(dòng)機(jī)增程器懟進(jìn)前機(jī)艙之后，加上連桿懸架后發(fā)現(xiàn)它太寬了，已經(jīng)超過兩米，然后也嚴(yán)重侵占了座艙空間，最后導(dǎo)致“得房率”不行，于是研究一段時(shí)間后作罷，計(jì)劃暫時(shí)擱置。

后來純電平臺(tái)上來之后，縮小的電機(jī)滿足了這樣的設(shè)計(jì)要求。于是，MPV的想法卷土重來——最重要的是，他們不是為了造一輛MPV而造MPV，而是因?yàn)殡姍C(jī)的特性滿足了他們對(duì)于MPV最重要的特性——空間得房率的要求，于是決定再次試試重新打造一輛舒適、安靜、大空間旗艦的MPV。

這是理想打造很多產(chǎn)品的邏輯原則——它不應(yīng)該是為了造某種形態(tài)產(chǎn)品而造某種汽車類別，而是技術(shù)應(yīng)該在最能體現(xiàn)它作用的場景里、形態(tài)上發(fā)揮作用。

電機(jī)天然的縮小了汽車工程機(jī)械層面的“公區(qū)”空間，放大了座艙的使用面積。在極其強(qiáng)調(diào)空間的MPV上，有天然的優(yōu)勢。于是，理想MEGA來了。

當(dāng)然，還有一個(gè)重大的技術(shù)突破——電池和快充技術(shù)。

理想MEGA帶來的不光是大空間，還有麒麟5C超快充電池——他們認(rèn)為如果補(bǔ)能問題不得到解決，那么長途旅行一定談不上舒適。

可以說，沒有電池和快充技術(shù)的突破，就不會(huì)有理想MEGA這個(gè)產(chǎn)品，也不會(huì)有所謂的純電平臺(tái)和戰(zhàn)略。

在首批理想MEGA的品鑒會(huì)上，我們看到了這輛“公路高鐵”MEGA，除去外形設(shè)計(jì)和內(nèi)裝豪華舒適上的震撼外，我們也非常關(guān)心這輛車的一系列技術(shù)突破。我們和理想汽車動(dòng)力電池高級(jí)總監(jiān)柳志民博士，寧德時(shí)代國內(nèi)乘用車事業(yè)部CTO高煥聊了聊這塊麒麟5C超快充電池的技術(shù)溯源和誕生。第一次造這么大電動(dòng)車的理想，怎么就做出了這塊12分鐘充500公里的最速電池？

理想寧德聯(lián)手：1000人，36個(gè)月

理想一開始要做純電車的時(shí)候，就錨定了一個(gè)補(bǔ)能的關(guān)鍵指標(biāo)：12分鐘500公里。

而理想超充電池的開發(fā)，最早可以追溯到2018年。2018年理想ONE發(fā)布后，內(nèi)部就已經(jīng)啟動(dòng)了超充相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。不過由于當(dāng)時(shí)沒有技術(shù)基礎(chǔ)，理想從0開始摸索，經(jīng)過大半年時(shí)間的摸索后，2019年理想鎖定了800V的平臺(tái)。

800V的平臺(tái)，對(duì)于同樣的電軸密度，同樣的電流，可以實(shí)現(xiàn)充電功率增長一倍，這被理想認(rèn)為是一個(gè)基礎(chǔ)性能指標(biāo)。

柳志民回憶稱，對(duì)當(dāng)時(shí)的電池體系進(jìn)行綜合研究后——包括現(xiàn)在采用的方形鋁殼，會(huì)有圓柱，以及刀片電池方案，最終選擇了方形鋁殼電池。而放棄刀片和圓柱電池，主要是因?yàn)檫@兩個(gè)電池外形物理方面限制了電池充電的峰值備率——“目前看只能夠做到3C的性能”。

明確了技術(shù)指標(biāo)之后，理想接觸了不少國內(nèi)外的頭部電池廠。

但真正能夠?qū)崿F(xiàn)理想給出的綜合指標(biāo)，包括超充倍率性能、大單量需求以及安全性的設(shè)計(jì)等要求的供應(yīng)商少之又少。其中，韓國三星也非常重視理想MEGA的項(xiàng)目，派出了一個(gè)龐大的專家團(tuán)隊(duì)，但歷時(shí)幾個(gè)月后，做出的樣品的綜合指標(biāo)還是差了一些。

2020年，理想決定鎖定寧德時(shí)代做聯(lián)合開發(fā)——因?yàn)楫?dāng)時(shí)只有寧德時(shí)代能夠做出接近綜合指標(biāo)的樣品。

2021年，理想明確了基本的電池架構(gòu)，就是在麒麟電池的架構(gòu)上開發(fā)5C充電倍率的技術(shù)產(chǎn)品。

麒麟電池示意圖，圖片引用自寧德時(shí)代官網(wǎng)

這里給麒麟5C電池做一個(gè)簡單的科普：大家熟悉的寧德時(shí)代開發(fā)的麒麟電池，其實(shí)是一個(gè)架構(gòu)，本質(zhì)上定義的是電芯和冷板的一個(gè)相對(duì)位置關(guān)系。比如傳統(tǒng)的電芯就是站在冷板上，但麒麟電池的架構(gòu)設(shè)計(jì)是，在電芯和電芯之間加入冷板。

5C其實(shí)就是峰值充電倍率的體現(xiàn)。

其實(shí)可以簡單理解，C是用來表示電池充放電時(shí)電流的大小數(shù)值，也就是形容充放電速度快慢的一個(gè)數(shù)值。當(dāng)然，C越大速度越快。理論上，充放電倍率則是充放電電流/額定容量得出的數(shù)據(jù)，所以1C基本上就是一小時(shí)充滿，2C就是半小時(shí)充滿——當(dāng)然這里指的是峰值倍率。

理想和寧德時(shí)代就基于這樣的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)，設(shè)定了幾個(gè)核心開發(fā)內(nèi)容：第一個(gè)是聯(lián)合開發(fā)能夠支持5C倍率的電芯，速度意味著溫度的急劇上升以及熱失控，所以同時(shí)聯(lián)合開發(fā)5C的熱管理系統(tǒng)，最后就是聯(lián)合開發(fā)5C電池的安全管理架構(gòu)。

行業(yè)里通常開發(fā)電池的團(tuán)隊(duì)大概在幾十人左右。而歷經(jīng)三年時(shí)間，寧德時(shí)代和理想的聯(lián)合開發(fā)團(tuán)隊(duì)急劇擴(kuò)張到了1000人，其中理想大概有300名左右的開發(fā)人員，寧德時(shí)代投入了接近700人的開發(fā)團(tuán)隊(duì)。

為什么需要這么多人？

高煥稱，技術(shù)分解下來，第一是要有最先進(jìn)的基礎(chǔ)化學(xué)體系，包括正極材料、負(fù)極材料、電解液，這需要大量的材料科研人員。然后，包括電芯的殼體，以及熱管理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，也需要大量的結(jié)構(gòu)工程師、科研人員。第三，在項(xiàng)目協(xié)調(diào)上，還有一部分人員，理想也在加深對(duì)電池的理解，因?yàn)橹挥羞@樣才能夠更充分地討論，更有效、更高效地創(chuàng)新。另外，整個(gè)麒麟電池要做出來，從電芯的工藝、設(shè)備到Pack的工藝、設(shè)備，以及生產(chǎn)的工程師，都是特定的人員。

電化學(xué)世界沖擊極限

柳志民認(rèn)為，理想在自己產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新上有一些和大部分的技術(shù)路線不同的地方。比如，理想早期開始做“超充電池”，“超充電池”其實(shí)從頂層的整車需求向下分解，分解到電池需求，從電池分解到材料工藝等很多程度的分解。

這其實(shí)正是在配合中理想團(tuán)隊(duì)要發(fā)揮的工作。

而寧德時(shí)代提出了麒麟架構(gòu)時(shí)，雖然是一個(gè)非常有亮點(diǎn)的解決方案，但是真正要搭載上車的話，高煥認(rèn)為寧德的核心專長在電芯，還有整個(gè)Pack制造這一塊。但怎么樣跟整車配合，尤其是和理想MEGA這樣的MPV來配合，比如說在整個(gè)車的機(jī)械結(jié)構(gòu)上面，側(cè)柱碰、底部球擊、離地間隙、乘員空間上，如何來跟MEGA匹配？MEGA的風(fēng)阻系數(shù)也非常好，如何來搭載，才能既保證造型和風(fēng)阻系數(shù)，又不犧牲乘員倉的空間，對(duì)電池應(yīng)該有怎樣的外框架要求——這些對(duì)寧德時(shí)代來講是很大的挑戰(zhàn)，也需要雙方不斷去磨合。

在設(shè)計(jì)之初，首先理想希望獲得一個(gè)大的峰值倍率，同時(shí)是希望峰值倍率可以維持一個(gè)較長的時(shí)間。

簡單來說，核心技術(shù)基座來源于三點(diǎn)。

第一，對(duì)于電芯的材料體系和工藝相關(guān)、對(duì)于充電動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化，讓電芯具備這樣的能力。第二，控制電池的溫度，能夠不因?yàn)闇囟认拗乒β?，其核心的邏輯就是要把電芯?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1516682.html">內(nèi)阻降低，同時(shí)把系統(tǒng)的散熱能力提升。在電芯的內(nèi)阻上，理想從最初的0.5到0.38、最后到0.3毫歐以內(nèi)。第三，應(yīng)用麒麟架構(gòu)，因?yàn)樗浒搴碗娦镜奈恢藐P(guān)系，能夠在短時(shí)間內(nèi)大幅散熱。

其中，降低內(nèi)阻，來自于化學(xué)體系的進(jìn)化。

其實(shí)，快充/快放可以簡單理解為電池正負(fù)極之間的離子的流動(dòng)速度。而速度快，也意味著內(nèi)阻低。

行業(yè)內(nèi)認(rèn)為，使用高電導(dǎo)的電極材料（碳包覆，改性提高鋰擴(kuò)散系數(shù)，減小粒徑縮短擴(kuò)散路徑）、使用更多的導(dǎo)電劑、涂布更薄的電極（讓傳質(zhì)擴(kuò)散距離變短）都是典型的功率快充型電池的設(shè)計(jì)思路。

柳志民稱，首先是負(fù)極石墨快充性能的提升，通過縮短石墨顆粒尺寸和多端面技術(shù)、超離子環(huán)包覆技術(shù)、超充體相改性技術(shù)來提升充電能力，整個(gè)充電性能提升了1.2倍。其次是電解液，理想開發(fā)專屬的5C電解液，用了獨(dú)有的三款添加劑，對(duì)SEI膜進(jìn)行調(diào)控，形成薄、均勻、致密的界面膜，大幅降低了界面膜厚度?；诖?，我們的充電動(dòng)力學(xué)提升了30%。

對(duì)于隔膜的改善，優(yōu)化體現(xiàn)在兩個(gè)方面，提升孔隙率和降低曲折度，這部分優(yōu)化5C電池整體動(dòng)力學(xué)提升了10%。

伴隨著電芯負(fù)極、電解液、隔膜三個(gè)方面的核心技術(shù)突破，最終實(shí)現(xiàn)了電芯峰值倍率提升到5C，實(shí)現(xiàn)了峰值電流超過700A的大電流充電能力。

高煥也認(rèn)為，雖然材料領(lǐng)域這幾年基本沒有顛覆性的變化。但是在電芯內(nèi)部，有非常大的迭代。

前幾年，國家的政策和行業(yè)內(nèi)都是傾向于長里程或者說能量密度，解決人們的里程焦慮。這幾年500-800公里的續(xù)航，甚至上千公里的車已經(jīng)屢見不鮮了，焦慮程度有所緩解，但行業(yè)內(nèi)開始追求解決快充的問題。

雖然從最基礎(chǔ)的分子層級(jí)來講，磷酸鐵鋰和三元鋰確實(shí)沒有多大的變化，但是整個(gè)電池作為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)分為正極、負(fù)極、隔離膜、電解液。在封裝的殼子里面，其實(shí)就是一個(gè)相對(duì)小一點(diǎn)的電芯系統(tǒng)，它們之間要互相配合，這里面發(fā)生了一些迭代。

高煥舉例稱，比如說麒麟超充電芯的正極，肯定要用到超電子網(wǎng)，包括神行也是一樣的。神行主要是磷酸鐵鋰的材料，導(dǎo)電率比三元鋰要更差一點(diǎn)，所以必須要有超電子網(wǎng)的覆蓋，鋰離子的傳導(dǎo)才會(huì)更好。第二，材料的結(jié)構(gòu)上面要產(chǎn)生一些變化，要有利于鋰離子的脫出和重新的嵌入。第三，材料的尺寸維度也要做一些變化，如果做一個(gè)這么大尺寸的話，鋰離子從固相擴(kuò)散，從里面跑到外面來，是很長的路徑，這里面的阻抗是很大的，這也是為什么我們要做到0.3以內(nèi)的內(nèi)阻。這里其實(shí)在正極材料上就發(fā)生了很多變化，從內(nèi)部到尺寸到顆粒上。

從正極材料上跑出來之后，要經(jīng)過電解液。寧德時(shí)代針對(duì)電解液也進(jìn)行了優(yōu)化，提升了電導(dǎo)率水平。

電解液之后，到了負(fù)極材料，必須要接納從正極發(fā)射過來的鋰離子。那么如何讓鋰離子快速嵌入到負(fù)極材料，負(fù)極材料也要做一個(gè)很好的快離子環(huán)設(shè)計(jì)，讓鋰離子能夠很快地通過最短路徑到石墨里面，不然它就會(huì)析出在表面，既損失了容量，又可能會(huì)帶來一些安全可靠性的問題。

最終，在理想和寧德時(shí)代的聯(lián)合攻關(guān)下，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)最大功率大于520kW，充電到80%功率也可以做到大于300kW的麒麟5C超快充電池。

麒麟=散熱安全架構(gòu)？

很大程度上，快充的長時(shí)間維持和大電流都會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱效應(yīng)的加劇，而麒麟架構(gòu)本質(zhì)上也是一套熱管理架構(gòu)。

在一個(gè)現(xiàn)場的展具內(nèi)，我們看到了分解的電池包。

5C電芯，沿著車身寬度方向，6顆電芯并列為一排，在車身長度方向上，共布置了33排總共198顆電芯。每個(gè)電芯的最高工作電壓是4.33V，這198顆電芯可以為整車提供最高超過850V的電壓水平。在電量方面，按照標(biāo)準(zhǔn)的測試工況，整體電池包總電量是102度電左右，平均每顆電芯大概超過0.5度電。

控制電芯溫度，其實(shí)又分為兩個(gè)層級(jí)的問題：一是電芯層級(jí)要降低電芯控制發(fā)熱，二是系統(tǒng)層級(jí)要大幅提高散熱能力。而工程上要提升散熱能力，最直接的方式就是增大換熱面。

值得注意的是，每兩排電芯都相隔了冷板，冷板內(nèi)布置了液冷系統(tǒng)。

所以麒麟架構(gòu)的散熱系統(tǒng)，是在電芯的前后和兩側(cè)均勻散熱，而非頂部和底部散熱，這極大地加大了電芯整體的散熱面積。

冷卻液從電池包的前方進(jìn)入電池的主進(jìn)口，冷卻液進(jìn)入電池包后，水管會(huì)很快拐到電池包一側(cè)，然后從車頭方向一路延伸到車尾方向。冷卻液經(jīng)由整個(gè)水冷板最后在另一側(cè)的水管中匯流，從主出口這個(gè)位置流出電池包。整個(gè)麒麟方案最主要的特點(diǎn)就是電芯與水冷板的布置關(guān)系。

實(shí)際上，這里面還有很多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的問題。

比如液冷從一個(gè)方面流入，其實(shí)走到流出口時(shí)已經(jīng)發(fā)熱，一定程度上造成了一半電芯熱、一半電芯涼的問題。

所以就要對(duì)整個(gè)熱管理系統(tǒng)的流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

理想在每排電芯布置了小分流閥，讓冷卻液多跑兩趟，其次，水冷板的設(shè)計(jì)不是單一的空腔，冷卻液的流動(dòng)走S形。冷卻液從這一側(cè)流到另一側(cè)之后，先不流出，而是從另一側(cè)流回到這一側(cè)，再流過去。這樣做的好處，就可以讓水冷板中的初始的冷水和換熱后相對(duì)熱一點(diǎn)的水之間充分混合，保證整塊冷板方向上的均勻冷卻。

此外，電芯熱失控的第二個(gè)特征是噴發(fā)出大量高溫高壓氣體，壓力積攢過多就會(huì)將電池?fù)纹啤＠硐脶槍?duì)電池包上蓋材料進(jìn)行了防火集成設(shè)計(jì)，使其不會(huì)被高溫的氣體沖破，然后也在電池組上方設(shè)置排氣通道，讓熱氣流沿著預(yù)設(shè)好的軌道行進(jìn)，并最終在防爆閥的作用下泄壓排氣。

在整體電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，也充分考慮到碰撞要求。

從電池結(jié)構(gòu)布置上，也給電池包設(shè)計(jì)了潰縮吸能區(qū)、側(cè)邊框承載區(qū)、橫梁及底護(hù)板承載區(qū)，電池邊框采用多腔體截面設(shè)計(jì)，外側(cè)潰縮吸能區(qū)吸收電池側(cè)向碰撞能力，內(nèi)側(cè)承載區(qū)擁有足夠的抗彎剛度，將力穩(wěn)定地傳遞到橫梁和底護(hù)板等部件。

在電池包底部，也通過采用雙層結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)，由電芯下面的底板實(shí)現(xiàn)電芯的承載及絕緣密封設(shè)計(jì)；底板下部則放置緩沖材料，用來支撐電池組和緩沖來自下面的沖擊；最下層采用了高強(qiáng)度擠壓鋁板，其中有專門設(shè)計(jì)的加強(qiáng)筋，減少對(duì)電芯薄弱區(qū)域的沖擊。

總體思路上，盡量潰縮吸能保護(hù)電芯不受力的損害。

國標(biāo)樁拉滿功率

在沖擊最高速度上，理想已經(jīng)宣布自建5C超充網(wǎng)絡(luò)。自建的超充樁上，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大于520kW的峰值功率，做到充電12分鐘行駛500公里。

雖然行業(yè)內(nèi)對(duì)于理想“5C速率”的表述有一些質(zhì)疑。高煥也回應(yīng)稱，平時(shí)大家講的2C、3C、4C，這其實(shí)更傾向于是公司自己的工程語言定義，“大家不用太在意。真正要關(guān)心的就是，多少分鐘可以充多少公里?！?/p>

高煥反而認(rèn)為更值得注意的是，理想的麒麟5C超快充電池也可以把國標(biāo)樁的能力完全發(fā)揮出來，而且是寬溫域的發(fā)揮出來——無論是常溫高溫還是冬天的零下10度，都會(huì)有非常好的體驗(yàn)。

“因?yàn)楝F(xiàn)在的車在120千瓦的國標(biāo)樁充電，從0或者從10%充到80%，功率也是會(huì)下降的，但是理想MEGA可以滿功率到95%以上?！?/p>

他認(rèn)為這應(yīng)該是一個(gè)值得記住的日子，“今天的麒麟5C電池，我覺得它更代表著我們超充進(jìn)入到一個(gè)類似于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的5G時(shí)代，它有這樣的意義。”