楊紅新：疊片工藝+無鈷技術是動力電池未來趨勢
時間:2020-08-13 16:33來源:騰訊汽車 作者:綜合報道
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8月11-13日，以“冬芽“為主題的第12屆中國汽車藍皮書論壇在武漢舉行。為期3天的會議期間，眾多重量級汽車行業(yè)人士圍繞著23個討論議題進行演講與對話。
在他看來，鈷的儲量小且集中，只有710萬噸并把控有限的幾家制造生產，特別容易被操控。“鈷這個問題不消除，不符合未來電動汽車發(fā)展的趨勢。”
同時無鈷內阻偏高，“如果把疊片技術用上，可以再降低它5%的內阻，所以疊片加無鈷這兩種技術的結合，既可以發(fā)揮無鈷的優(yōu)勢，又能解決無鈷的痛點。”
“疊片和無鈷，一個是工藝制造角度，一個是材料成本和安全性角度，這是基礎性的未來趨勢，可以滿足對成本，對效率、對功率、對壽命各方面的要求。”明年6月份，蜂巢能源將會把無鈷電芯推向市場，并進行裝車銷售。
最后他指出，電池企業(yè)和整車企業(yè)對于電池機理的了解仍然比較膚淺。“電芯到底為什么突然會自燃？為什么會突然熱失控？機理是什么？我們現(xiàn)在都沒有辦法完全弄清楚。”
以下為演講部分實錄：
大家下午好，我是蜂巢能源的楊紅新，其實上一場殷總主持得特別好，成功讓充電和換電兩組人懟起來，我是特別想參與上一場的討論。因為我原來是在整車廠工作了十幾年，近幾年是在電池廠工作，所以我也有我的一些想法。
不管是充電還是換電，前提都是車電分離是最重要的，只要車電分離做到了，其實對電池企業(yè)都是最大的受益者。因為車電分離以后，消費者購車成本降低了，電動車賣得多了，要建換電站，除了車上的電池，換電站也要儲備很多的電池，所以對電池企業(yè)是一個利好。
另外一點，剛才提到的標準化問題。我們電池企業(yè)也特別關注電動汽車電池的標準化，這個事情短時間肯定很難實現(xiàn)，但是長期看是有機會實現(xiàn)的，取決于電池的體積能量密度到底做到什么樣的水平。
接下來我參與的主題是動力電池格局和技術路線的演化。
剛才提到的電池標準化，其實就是未來一個非常重要的技術路線的演化趨勢。大家知道12V的鉛酸電池，基本都已經通用化，不管是大眾、奧迪還是國產車，都可以用同樣的12V鉛酸電池。
但是鋰電池太大了，它嚴重地擠壓了整車的軸距、輪距和高度，所以很難做到標準化。如果體積能量密度提高一倍，我們把整個電池包的寬度縮短一半，把它集中在車輛的中通道的位置，這個時候是可以做到標準化的。靠什么來實現(xiàn)？肯定是靠從化學體系到結構設計不斷的創(chuàng)新來實現(xiàn)的。
今天，我們想說的是動力電池未來的格局，核心的路線到底是什么？其實走什么技術路線，取決于客戶的需求是什么，取決于整車廠的需求是什么。
客戶跟整車廠到底需要什么呢？大家在新聞上經常聽到自燃問題，所以安全肯定需要，大家說一次購車成本高，所以成本很重要。大家說現(xiàn)在電池太重，體積太大，所以能量密度也很重要。還有循環(huán)壽命，有人想用20年，壽命很重要，有人想快充，功率也很重要，放電功率也很重要，這些都是客戶和整車企業(yè)的需求。
那我們做哪一點，不做哪一點，整車廠來說都想要，但是對電池廠來說很難，因為這里面很多指標是相矛盾的。
我們不可能在今天，把安全、壽命、功率每一個拎出來單說。未來的趨勢會變成什么樣？我是希望站在最基礎的角度做一些分析，哪些基礎技術可以同時實現(xiàn)多個未來客戶跟整車廠的需求，盡量滿足多樣化的需求。
那么我選擇的主題是疊片跟無鈷，也是有它的原因的，剛才講充電的時候也提到了一個，現(xiàn)在電動車的銷售對象，主要還是B端的多，今年開始C端的多了，什么時候電動車開始真正的普及？
一定是大量私家車主成為購車主力，占到90%以上，就像現(xiàn)在的燃油車一樣。那么什么時候才能夠實現(xiàn)，以及要做什么工作？成本是非常大的一個障礙，也是非常關鍵的一個訴求。
這里面有一個測算公式，是成本回收期的計算，我們把它分成A00、A0、A、B、C不同級別的車，不同級別的車電池價格是不一樣的。
不同電池的價格，從縱坐標來看，成本回收期也是不一樣的，這里面考慮了很多價差和用車成本的因素在里面。那么市場上將來最主流的電動車，其實應該和燃油車一樣，是A級車應該占到絕大部分的市場銷量，是最主流的車型。
我們看A級車，實現(xiàn)跟燃油車對等，以及滿足客戶期望的成本回收期，經過測算是3.4年。什么時候能夠實現(xiàn)，保守的測算是2025年。2025年電池的成本可以支持A級主流家用車，在3.4年之內，跟燃油車對比回收回來，就可以達到一個大規(guī)模普及程度，這是一個比較新的維度的思考。它不僅僅單純的考慮是初始構成成本，考慮了非常多的因素。
成本既然這么關鍵，影響到我們什么時候實現(xiàn)電動車的普及，我們希望2023年更早的普及才好，這樣我們的電池還可以多賣一些。
那么怎么降成本？我們回顧歷史，其實各方面都在降，材料在降，設備價格在降，制造成本在降，設計工藝產生的結構性的成本也在降，都在降。
但是，其實這里面有很多數據，降幅最大的還是四大主材，四大主材類里降幅最大的還是正極，降幅是非常高的。
我們說生產效率，一次成本投入非常大，建一個電池廠的投資比建一個汽車廠還要大。但是如果分攤到5年折舊，10年折舊里面，再分攤到每瓦時的電芯成本里面，設備占成本比是比較低的，幾分錢，但是材料占比是最大的，影響也是最大的。
所以我們的關注焦點，還是要放在主材上。當然技術進步，我們CTP的技術，以及我們長電芯的開發(fā)，進一步提高密度，都可以進一步降低成本。
CTP最近比較火，但是我認為它更主要的作用是可以提高安全性。因為我把模組的端板、側板取消以后，可以釋放出大量的空間，這些空間可以用于增大電芯的間隙，就有機會實現(xiàn)一個電芯熱失控，相鄰電芯不產生熱失控這樣的一個目標，這樣的目標實際上已經成為國際跟國內的最主要的目標。
所以CTP不僅可以降成本，還可以提高我們的安全性。這也是汽車行業(yè)，電池行業(yè)在積極努力創(chuàng)新的地方。
我們提到正極材料，就不得不提到對正極材影響最大的是什么�，F(xiàn)在除了磷酸鐵鋰以外，最大的材料供應體系還是三元鋰電池，如鎳鈷錳、鎳鈷鋰，當然鎳占比很高，811電池中鎳占80%左右的，但是鎳在全球的金屬比例當中，用在鋰電池上占比是小的。
鈷是不一樣的，手機用的是鈷酸鋰，用鈷量非常大，所以鈷對正離子材料成本影響是非常大的。
我做過鋰電池很多年，下面坐著做電池的前輩，大家可能都知道，2008和2018年，10年中出現(xiàn)了兩次鈷價的劇烈波動，從10元左右漲到40多元，還買不到。
如果電動汽車將來要做到一年一千萬輛，一年兩千萬輛，這種大工業(yè)連續(xù)制造的商品，是不允許出現(xiàn)這樣的供應鏈問題的。汽車企業(yè)講供應鏈安全，它是絕對不允許出現(xiàn)的。這種情況是嚴重的會制約電動汽車的普及的。
那么這張圖是我們公司畫的，其實整個行業(yè)也差不多。這張圖有一個特點，越向上的能量密度越高。另外一個特點是，不管是鐵鋰、無鈷、磷酸鐵鋰、四元、三元、固態(tài)，在能量密度提高的同時，鈷的含量都在想辦法向下降。從最早的111到523，到6系7系8系，現(xiàn)在NCMA和NCL做到9系的，鎳的含量一直在上升，鈷的含量一直在下降，人類在追求去鈷化和無鈷化上的努力，一直在做各種各樣的功課，從來沒有停止過。
在能量密度提升的同時，它的價值是巨大的，它可以釋放大量的車內空間。我們知道有的電動汽車為了把電池塞進去，坐到后排以后，就像坐小板凳一樣，腿是非常難受的，軀干角非常不合理。
如果我們能量密度提高了，電池可以做矮做窄，又可以實現(xiàn)標準化，這絕對是未來永遠追求和努力的方向，就是提高能量密度。
但是路線確實不一樣，也會分場景進行應用。磷酸鐵鋰有它的場景，無鈷有它的場景，811有它的場景，場景不同，但是在去鈷這條路上是相同的。我這里面寫的無鈷指的是高能量密度電池的無鈷，磷酸鐵鋰也沒有鈷，但是它是低能量密度電池的無鈷，我們后面說的無鈷電池都是指的高能量密度的。
那么前面講到的是材料，我們再講講工藝，工藝現(xiàn)在軟包電池公司都是疊片的，其他的大部分都是卷繞的，其實各有優(yōu)劣勢，不是誰對誰錯，但是我們還是要看未來，未來客戶到底需要什么。
回到剛開始說到的話題，客戶需要的是長壽命的，客戶需要的是越小越好的，客戶需要的是功率性特別好的。就是所有不合理的要求，合理的要求，他都要你滿足。
那么卷繞工藝，在經歷這么多年的發(fā)展之后，遇到了很大的瓶頸，疊片工藝先天上有很大的優(yōu)勢。比如能量密度的提升，比如穩(wěn)定性，比如說極耳數量多一倍，工藝性更好，所以疊片工藝是非常有前途的。
尤其是當我們把電池的尺寸越做越大的時候，我們知道最早VDA，后來是590模組電芯，220的，現(xiàn)在比亞迪出的刀片是更長的，574這個尺寸，它和590標準模組可以兼容，這個電芯既可以用無模組在電池包里布置，又可以把它裝到590模組里，兼容性非常好。
但是電芯做得越長，其實能量密度越高，成本越低，因為疊片，每疊一個小的片進去，和每疊一個大的片進去，疊的活性物質的量是不一樣的，所以越大，生產能量的效率就越高。
同時，越薄的電芯，散熱性更好，做針刺的話，容易通過。那么疊片是最適合電池的工藝的。
當然還有極耳數量增加了一倍，它的內阻可以增加10%，功率也可以得到提升。還有能量密度，空隙都可以填滿，還有界面是非常良好的，卷繞不會出現(xiàn)左邊的S變形，包括邊緣位置的斷裂產生的紋路，所以從安全性能上來講，疊片也是非常好的。
另外就是膨脹，它初始膨脹力和中器后期膨脹率率卷繞的，所以對模組的壓力也會更小，也會提高安全性。
疊片和無鈷，一個是工藝制造角度，一個是材料成本和安全性角度，是基礎性的未來趨勢，可以滿足對成本，對效率、對功率、對壽命各方面的要求。
鈷這個產品，確實是非常非常重要的，每年都有人會起訴蘋果公司，會起訴特斯拉，說他們使用的鈷來源不干凈，這也成為整個行業(yè)非常痛的和不可回避的問題。
鈷的儲量這么小，只有710萬噸，而且還特別集中，只有幾家公司可以制造生產，特別容易被操控。電動車單車用量又非常大，Model S已經用了9系高鎳電池了，但是單車用量還要消耗掉13.68公斤的鈷，所以鈷這個問題不消除，肯定是不符合未來電動汽車發(fā)展的趨勢。
大家都知道要去掉鈷，或者把鈷減少，但是技術的挑戰(zhàn)確實是非常多的。其實沒有鈷的，高能量密度的電池的理論，在20年前日本的學者就提出來過，但是這么多年來，要不就是大家投入精力少，要么就是技術沒有做得很好，沒有解決鋰鎳混排的問題。如果8%-10%鋰鎳混排不能解決的話，產品穩(wěn)定性、倍率性都是非常差的。
解決方案有很多種，經過很長時間的摸索，包括我們也做了很多年的摸索，從增加鎳的含量，包括一些技術等等，來提高它的穩(wěn)定性�？傮w來講就是提高陽離子模式摻雜、單晶，太專業(yè)的就不在這里講了。
從測試數據來看，新鮮的電池，就是剛剛生產的電池的鎳混排可以控制在3.5%左右，是非常低的。
那么循環(huán)到后期的電池，鋰鎳混排控制在小于5%以內，是很好的解決了前面提到的鋰鎳混排的問題，同時金屬溶出這個問題，也是無鈷電池必須要解決的。
從右邊的這個圖上來看，跟811對比，我們的鎳、錳的溶出率都小于811的材料，所以循環(huán)壽命和穩(wěn)定性都是非常好的。而且我們做了2噸電池的測試，已經量化了。
從產品上來看，無鈷材料、無鈷電池一定要是高能量密度的才可以，如果能量密度過低就是磷酸鐵鋰，沒有價值了。它的能量密度一定要接近811的水平，同時是安全的，比7系的三元更安全，循環(huán)壽命好，成本還要低。
還是回到剛開始說的，客戶什么都想要，我們就做一個什么都能滿足他的要求的產品。從實際數據來看，這些目標都已經滿足了。
這是我們的動力性的測試，唯一一個還有問題，就是第一張圖，20%的SOC下，就是DSOC下的功率性能是偏弱的，因為沒有鈷以后，它的內阻在低溫下會偏高。
我們也在做解決方案，在測試。其他的功率性能都是挺好的，包括零下30攝氏度的低溫性能，還可以支持70%的續(xù)航，包括零下20攝氏度的低溫充電，界面保持得非常好。
還有高溫循環(huán)壽命，可以超過1200次，常溫循環(huán)壽命1C1C，我們100%可以超過2500次，811只能做到1500次。
針刺我們做的不是刺穿的，是按照歐洲客戶要求做的淺刺，歐洲客戶要求，刺穿三層電極，只要不起火，不爆炸就算可以，我們刺穿了六層，右邊的圖片來看都是非常好的。
還有150度的熱箱，高能性能也是高鎳材料最害怕的，我們也順利的通過了150度熱箱的測試，還有140%的SOP的過充，還有外部短路，包括一些其他的測試數據。
以上講的是無鈷材料的進展，大家都說無鈷材料這么難，真的可以量產嗎？現(xiàn)在可以負責任地告訴大家，肯定可以，明年6月份我們就會把無鈷的電芯推向市場，裝車，裝到車上銷售。
那么無鈷還有一個問題，就是它的內阻是偏高的，如果把疊片技術用上，可以再降低它5%的內阻，所以疊片加無鈷，這兩種技術的結合，既可以發(fā)揮無鈷的優(yōu)勢，又能解決無鈷的痛點。
那么我們在把它做成長電芯，做成薄電芯，L6的長電芯，大概將近600毫米長，做成右邊的無模組的LCTP的Pack，我們叫矩陣式Pack，一個電池包里放兩臺電芯，沒有模組。它的能量密度，比傳統(tǒng)的設計提高了9%，空間利用率提高了17%，電量提升了24%。
長城一款采用這種布置形式，無鈷、無模組的電池可以做到880公里續(xù)航，同時也可以做成有模組的，就是裝到MED590的模組也可以，兼容性非常好。
以上就是我關于對未來電池技術路線的一些分享，不管怎么樣，安全、壽命、能量密度各方面的追求，都是沒有止境的。
現(xiàn)在我們電池企業(yè)，整車企業(yè)，對于電池機理的了解還是非常膚淺的，電芯到底為什么突然會自燃？為什么會突然熱失控？機理是什么？我們現(xiàn)在都沒有辦法完全弄清楚，
當然我們有比較初步的認識，但是還沒有做到研究透，如果真的研究透了，缺陷就可以避免掉。
所以我們現(xiàn)在也在做一些研究工作，就是在極低的溫度下，零下160攝氏度，用液氮冷凍熱失控的步驟，在電芯剛剛產生內短路和產生的初期和后期，把它凍住，然后瞬間把它靜止，看它的界面，看它的機理等等，這只是其中的一個研究。
目前我們對電芯這個行業(yè)的研究，還需要不斷地努力和提升。未來的方向，我們希望通過蜂巢能源，通過孚能、力神，我們共同努力，把滿足客戶的動力電池的技術，不斷推向前進，不斷滿足客戶的需求，我的分享就到這里。謝謝大家！
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