国内动力电池厂比如宁德时代与松下等国外巨头技术水平差距有多大?

先说结论:电池的技术水平最终反映的指标有电池耐用性、续航的持久性和安全性三大方面。在中国强力的新能源政策支持以及不断壮大的新能源汽车市场的带动下,宁德时代和比亚迪早已跻身全球动力锂电第一梯队,足以与日韩锂电巨头一较高下,就但从这三个方面而言,比亚迪和宁德时代真不比松下等国外巨头差。
国内电池技术龙头就宁德时代和比亚迪两家。如果单看动力电池,宁德时代的技术不输比亚迪,业务营收和国内的市占率还处于领先,绝对是顶尖的“单项运动员”,而要说新能源方面的其它核心技术,比亚迪更像“十项全能”选手。
2020年3月29日,比亚迪正式推出刀片电池,公布其续航里程达到了三元锂电池的同等水平,更顺利通过了令后者望而生畏的“针刺测试”——在动力电池界,通过这一安全测试的难度堪比登顶珠穆朗玛峰。我们来看看比亚迪都有哪些核心技术:
1)突破磷酸铁锂电池组能量密度瓶颈
比亚迪刀片电池改变的核心在于空间利用率传统动力电池从电芯到模组的利用率为80%左右,模组再到电池包还要被连接部件和内部骨架挤占空间,利用率仅为50%左右。换算下来,电芯的容量只占电池包总体积的40%左右。
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而比亚迪刀片电池是从电芯直接组成电池包,相当于生活中一些带有独立包装的零食,去掉了模组这个“独立包装”,“干货”自然也就更多了。这种结构设计,进一步压榨了电池包的空间,让电芯容量在整个电池包中的占比来到了60%左右。在大幅提升系统质量能量密度以及体积能量密度的同时,由于去掉了“模组”这一层中间结构,使得电池系统的复杂度大幅下降,由此也带来了更高的产品稳定性和更低的故障率,给消费者带来了兼具高安全以及高品质的新能源汽车。
2)解决新能源车安全痛点
“针刺穿透测试”是行业内公认的对电池电芯安全性最为严苛的检测手段。这一测试要求用钢针将动力电池电芯刺穿,造成电芯内部的大面积短路。
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在同样的测试条件下,三元锂电池在针刺瞬间出现剧烈的温度变化,表面温度迅速超过500℃,并发生极端的热失控——剧烈燃烧现象,电池表面的鸡蛋被炸飞;传统块状磷酸铁锂电池在被穿刺后无明火,有烟,表面温度达到了200℃~400℃,电池表面的鸡蛋被高温烤焦;比亚迪“刀片电池”在穿透后无明火,无烟,电池表面的温度仅有30-60℃左右,电池表面的鸡蛋无变化,仍处于可流动的液体状态。这一结果足以证明“刀片电池”彻底摆脱了传统动力电池可能会发生的“热失控”的噩梦,其安全性具有无可比拟的优势。
3)续航/性能和三元锂差不多,但更稳定安全、寿命更长
刀片电池因为独特的造型和结构布局,大幅提高了空间利用率和能量密度,续航和整体性能其实都不逊于三元锂电池。
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而在安全性方面,磷酸铁锂的材料相比于三元锂本身就占有先天优势,再加上独特的造型也能带来更好的散热/预热性能,都进一步保证了安全(针刺实验已经可见一斑)。另外,磷酸铁锂材料可以实现更多次数的充放电循环,寿命也更长。
1)高比能技术
业界首创的无模组电池(CTP)技术,通过简化模组结构,使得电池包体积利用率提15%~20%,零部件数量减少40%,生产效率提升50%。CTP电池包能量密度较传统电池包将提升了10%-15%。传统的电池包能量密度平均为180Wh/kg,而CTP电池包能量密度可达到200Wh/kg以上。
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高镍811领先体系,配合业界首创的纳米铆钉技术,在电芯层面进行结构加固防护,大幅度提升能量密度,有效兼顾高标准安全可靠性。超薄基材技术,拥有4.5微米超薄箔材,薄而不破,薄而不皱,在有限的壳体空间内,无限瘦身减重,单体电芯能量密度提升幅度高达5%~10%。
2)超级快充技术
最快5分钟充至80%电量:宁德时代电池的快充技术采用了恒电位闭环控制算法。该算法的核心是基于电池内部极化状态的开发。原理是基于电化学模型,通过控制阳极电位恒高于析锂电位阈值,最大化输入充电电流,而电流的输入会影响阳极电位,从而形成一个闭环控制,使电池充电时间达到最小化。
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3)安全技术
四维安全防护,打造航天级安全电池:对“材料基因库”进行高通量筛选,锁定特有的金属元素,用于与“镍、钴”等变价元素进行掺杂,既保证能量密度,又加大氧气释放难度,大幅度提升三元材料的热稳定性。从锂离子电池四大主材之一的电解液入手,成功开发了多款功能添加剂,通过改良电解液基因,有效减少了固液界面间的反应产热,显著提高了电池耐热温度及电池的热安全性。
基于大数据建立的参数故障及风险预警模型,确保极端情况下电池系统的及时响应,主动唤醒整车并启动冷却策略,快速“诊疗”,即刻见效,让电池重回冷静。
4)超长寿命电池
寿命最高可达16年或200万公里:“低锂耗技术”可以大幅减少电芯使用过程中的活性锂消耗,显著提升阳极材料表面和本体结构的稳定性,达成超长寿命的性能需求。通过阴极FIC涂层技术构造极片自休眠钝化膜,降低存储过程活性,使用时再重新激活,像动物冬眠一样,大大降低了损耗。通过极片层级精细设计,构造“离子和电子高速通道”,减小锂离子扩散阻力,减缓容量衰减。
针对日常使用的私家车,宁德时代研发的超长寿命电池可满足8年以上行驶需求;针对运营车辆,则提供可运营6年60万公里的长寿命电池产品,真正达到产品全生命周期无忧。长寿命的电池产品还可满足V2G,梯次利用等多元应用场景,从而提高电动汽车的经济性。
4)自控温技术
宁德时代的自加热技术通过BMS电池管理系统识别电池状态,拟定速热控制策略,能够使电池温度在15分钟内从-20℃提升到10℃,充电能力提高5倍,放电能力提高7倍,从而延长电池寿命。
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自加热技术,可以使电芯最大限度均匀发热,克服常规加热膜加热方式造成的电芯受热不均衡,保青春,抗衰老。控制电机控制器让电池与电机发生弱短路,电池在高压回路形成的脉冲电流作用下迅速加热,比常规加热方式缩短三分之二时间。业内首创开发功率补偿技术,在低温、低SOC的极端状态下提供稳定的放电电压平台,通过提高功率,保障电池续航持久、动力强劲。
2020年,全球动力电池总装机量为137GWh,同比增长17%。宁德时代守擂成功,已经连续4年拿下了全球动力电池装机量冠军。韩系企业LG化学已经从2019年的装机量第3位,跃升到了2020年的装机量第2位。在第3位的是日系企业松下电池,2020年装机量为25GWh,同比下滑了10%,第4位则是比亚迪,2020年装机量为10GWh,同比下滑了14%,名次保持未变。
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LG化学:电芯能量密度在250Wh/kg左右,体积能量密度在530Wh/L左右,可以满足整车400km的续航里程需求。
松下:根据A2Mac1实测数据,在单体容量上,松下由NCR18650B型号的3.2Ah提升至21700NCA型号的4.8Ah,电压平台由3.6V提升至3.7V。随着单体容量和单体电压的提升,能量密度由NCR18650B的245.1Wh/kg提升至21700NCA的260Wh/kg,后续可以提升到300Wh/kg,在体积能量密度方面21700远高于18650,经计算可知松下的21700电芯体积能量密度高达732Wh/L。
三星SDI:在能量密度的提升上,和国内通用的以Wh/kg所不同,所采用的标准是Wh/L,三星认为关于乘用车来讲,Wh/L其实意义更重要。目前,三星的第3代动力锂电池能量密度是在550Wh/L,相当于210-230Wh/kg,已经实现量产。
LG化学与SKI:目前软包电池虽然单体能量密度比方形电芯高,但是在成组效率方面较低,目前能量密度转化率预计在80%左右。
三星SDI与CATL:电芯由于采用的是方形电芯形态,成组效率较高,电芯至模组最高的能量密度转换效率可高达90%。
松下电池:单体能量密度高,但是由于单体数量众多,要众多结构辅助件,系统集成难度较大,电芯至模组和电池包的集成效率较低。18650升级为21700,单体使用数量减少,一定程度上提高了集成效率。特斯拉Model3有两种规格模组,能量密度转化效率高达84%。ModelX(90kWh版本)的电池包由7104个电芯96S74P组成,能量密度148.4Wh/kg,集成效率为60.41%;Model3的电池包由4416个电芯组成,能量密度167Wh/kg,集成效率为64.2%。
要比差距,那就拿国内巨头和国外巨头对比,拿中国的比亚迪和日本的松下。
磷酸铁锂主要是中国在研究发展,以比亚迪和宁德时代CATL为代表,三元锂中日韩都在研究,松下水平最高。锰酸锂续航太差,电池寿命太短,接近淘汰,钛酸锂的能量密度较低,还没有成为主流动力电池技术。
比亚迪磷酸铁锂电池,150WH/Kg,接近一般三元锂的能量密度。磷酸锰锂理论比容量为160—190Ah/g,放电平台3.7V,理论能量密度比磷酸锰锂理要低一些。
比亚迪-磷酸铁锰锂高安全性。磷酸锰铁锂保留了磷酸盐正极材料的热稳定性,大大提高动力电池的安全性。松下-三元锂安全性是个大坑,特斯拉被连累。
比亚迪-磷酸铁锰锂循环充电1万次,比亚迪E6电池敢终身保修,也就是可以至少开20年~30年,要不然不得亏死。松下-三元锂循环充电2千次,特斯拉电池保修8年。
比亚迪-磷酸铁锰锂,比亚迪专业充电站(快速充电15分钟左右可充满80%)或通过家用220V电源(慢充大约8小时充满)充电。松下-三元锂普通充满电时间:10.5小时;快速充满电时间:4.5h。
部分内容参考来源:
2.https://www.catl.com/
3.https://www.sohu.com/a/384135498_455835
4.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1662549204679388325&wfr=spider&for=pc
5.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1662577912166535483&wfr=spider&for=pc
6.https://www.xcar.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=27577410
7.http://www.juda.cn/news/147259.html
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