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2019全球未来出行大会|蜂巢科技能源有限公司总经理杨红新:未来动力电池安全与高能量密度协同发展趋势

盖世直播 2019-10-31 13:12:51
核心提示:2019全球未来出行大会现场嘉宾演讲实录,敬请关注!

为更好地推动全球范围的跨界协同,理清出行公司、汽车公司、城市等各个主体在未来出行生态中的角色,讨论未来出行方式、出行科技、交通结构、交通战略会发生的重大变化以及整个行业将面临的机遇与挑战,中国电动汽车百人会组织举办2019 全球未来出行大会,以推动出行生态变革、转型创新和国际协同,迎接出行革命。以下为蜂巢科技能源有限公司总经理杨红新演讲内容实录:

电池,2019全球未来出行大会

各位专家、各位朋友大家下午好,我是来自蜂巢能源科技的杨红新,蜂巢能源是新能源电池里面的新人,希望大家多交流多给指导意见。今天我分享题目是未来动力电池安全与高能量密度协同发展趋势。其实能量密度这个话题我们简单的来讲,是新能源汽车追求的永恒话题,其实已经追求了100多年,能量密度的提升不仅仅是动力电池涉及到能量密度提升,内燃机同样经历这个过程。从最初很大型的蒸汽机到现在的小型化、高效化、高燃烧比的发动机,它也经历了能量密度不断提升的过程。电动车的动力电池也是这样的,最初很早100多年以前就有电动车,最初的竞争当中,能量密度低的问题输给了内燃机,再看未来,内燃机的技术它的燃烧效率已经逐渐接近它的理论上限了,但是动力电池在能量密度这个领域,我们认为还是有非常大的发展空间,潜力无限。未来的竞争当中谁会胜出,这是一个值得大家研究跟关注的话题。

大家都知道,为什么我们要发展新能源,联合国有一个测算,到2030年的时候,如果全球的气温再上升1.5度到1.7度左右,会达到地球生物可以忍受的极限,再高就会面临物种灭绝的问题。我们要在2030年之前比工业革命之前温升在未来这20年左右时间之内,控制在1.5度才能够实现这个目标,能源革命势必会来临,能源革命当中电动汽车有一个非常重要的位置,不仅仅是一个交通工具,未来电动汽车还是移动的智慧工具,还是能源的调节工具,能源存储工具同时跟车辆共享,跟充电无人驾驶整个能源网络都有机的协调在一起。电动汽车的发展未来我们也分析主要面临的挑战是什么,能量密度是永恒追求,安全性也必须得到解决,能量密度跟安全怎么协同发展是我们面临的主要课题。提高能量密度过程当中大家的做法都在提升,比如说提高压实密度,减薄隔膜等,这些措施都不可避免在某种程度上牺牲安全性,我们怎么做到不牺牲安全性还能够提高能量密度。我们也做了一些思考,主要是想通过新工艺、新材料、新技术这三个领域做一些新的创新和突破来实现。

首先我们认为新的工艺是什么,电芯的生产工艺,这几十年当中有一个发展历程,最初索尼发明圆柱电芯到后来有方形有卷绕还有叠片,我们认为要提高能量密度,电池做厚、做大是一个趋势,但是同时把叠片再应用到大尺寸方形电芯里面可以提高能量密度也可以比较好的解决安全问题。未来超高速方形叠片可以做到更高的容量也能够兼容到安全性。这个图上比较直观最简单的对比,用叠片以后能量密度可以提高,循环生命提升,成本下降更安全。为什么有这样的结论呢?我们做了研究,右边图可以看到用叠片电池以后,BOL、MOL、EOL膨胀力远远低于卷绕,膨胀力低有一个比较好的优势,右上角两张图,循环以后界面非常完整,不会发生扭曲变形,同时膨胀也会给界面完全性造成影响,但是叠片可以很好解决这个问题。

同时,叠片技术可以带来功率上的提升。因为它的极耳数量比卷绕增加一倍,功率性能得到提升,热性能得到改善,温升会大大降低。能量密度讲了可以提升5%,内阻我们做过测算对比可以降低10%,这10%换来就是热性能的改善,同时叠片技术可以在循环寿命以及内短路安全方面有很大贡献,右边上面那个图卷绕在循环后期,生命周期的末期,在内应力的作用下,因为膨胀力要释放,内应力下叠片会发生断裂。下面叠片在生命周期后期渐渐保持比较完整。另外使用叠片技术我们可以降低电芯设计过程当中的装配比,装配比降低可以降低电芯初始膨胀力,初始膨胀力降低可以改善模组安全性。我们电机在路上跑的时间并不长,我们使用传统的模组,后期会不会膨胀力超过模组焊接强度,使模组焊缝位置产生破裂,这种问题在我们测试过程当中发生过的。叠片也可以很好的改善模组安全性。叠片有这么多好处为什么大家都不用,因为原来的叠片速度,传统软包公司使用的都是叠片,生产效率太低,生产效率低就意味着更多的设备投入,更大的占地面积以及更多的投资。这种好技术应用的前提就是我们一定要突破工艺和设备上的瓶颈,现在我们在行业里面已经有,包括蜂巢能源在内开始应用第一代高速叠片,45度摇摆叠,可以做到0.6秒叠片比原来有大幅提升,同时0.45秒更高速度现在已经开发成功,明年蜂巢能源也会投入使用。同时0.25秒更高速度在大尺寸电芯上,它的速度可以媲美卷绕,基本投资占地面积和设备数量可以达到卷绕的数量,这一代的样机现在也在开发当中,相信在两年以后也可以开发成熟。

另外就是未来电池它的发展方向是什么,我们把眼光放长远一些,比如五年以后,七年以后,我们追求的安全不仅仅是电芯和模组层级的安全,刚才讲都是电芯、模组包括讲材料,我们最终追求都是车的安全,涉及很多种,其中一种是碰撞安全性,宝马公司它有很特殊的碰撞要求,它要求侧面做扫描助碰,每隔10公分左右就要用援助撞击车的侧面,就是要看模组电芯受挤压的变量。我们把整车区域分为三个区域,碰撞危险区、高风险区、安全区,我们一直说能量密度提升是无止境的,能量密度足够高电池可以缩到车的中通道位置,是任何碰撞到不了的位置,如果缩小到这么小的话,我们可以用一颗电芯做串联形成电池包,可以省去很多模组,大大降低电芯的数量,这种尺寸电芯的长度大概在700毫米到800毫米左右。这么长的电芯,它用卷绕会有很大的困难,叠片在未来有希望解决技术瓶颈,同时可以进一步提高能量密度,改善散热性能。同时安全性也会更改善,长和薄的电芯是未来整车安全需要的一个很重要的技术趋势。

右边我们对比了两个尺寸,550毫米长度电芯和220毫米长度电芯,越长越大电芯使用叠片的优势越明显。这个红色的这条线是卷绕的速度,卷绕速度已经接近了速度上线,我们使用上面550的尺寸,上面蓝色的线,它在做到0.4秒左右的时候可以达到跟卷绕类似的生产效率,我们做220尺寸要做到0.2秒左右,将来电池大型化可以在效率上的优势体现更加明显。

以上关于工艺,新工艺的创新对于安全的改善。

接下来是材料,材料经过很多不同体系的演变90年代到现在,现在主流磷酸铁锂都是我们的主流材料,电芯安全、热稳定性,我们最直观反映就是正极材料,正极材料还有没有改善空间,大家在研究NCMA材料我们认为有机会进一步提高稳定性、耐热性以及循环寿命。7系的NMx从能量密度,循环寿命安全稳定性有希望超过622的材料

NCMA材料只添加了铝元素,经过特殊的包附和搀混使温度得到提高,根据现在来看有希望提高到235度左右,另外高温循环寿命也可以得到改善,现在看可以提高5%左右,它的客容量和811在同一个水平上甚至还可以做到更好。这种材料有很多优点,现在需要在未来克服跟解决的主要是前躯体和供应链体系问题以及对应的化学平台开发。提高稳定性,材料创新角度,NCMA是非常有希望的解决方案,提高能量密度并改善安全性。新技术在兼顾性改善有几点,第一全方位安全设计,原来一提到安全,几乎把责任都压到电芯上,让电芯抗整包的安全性,实际上这个理论到现在必须要得到根本性改善,从电芯到整个系统全方位的安全才是我们真正未来要发展的方向。另外CTP的设计方案,它并不仅仅可以降低成本提高能量密度提高效率,实际上它还可以大大改善安全性,后面也会介绍。另外就是控制系统,智能BMS结合预测技术,结合电机机理技术可以大大改善电芯热失控或者出现内短路之前给予预测,提醒车主或采取主动的措施,来避免危险的升级。现在这个工作我们联合清华大学也在做,结合电芯的原理,想办法提前预测到微小电压和电流变化,通过BMS算法进行预警和控制。结合云端技术跟大数据技术,也可以很好避免和预防一部分的热失控。将来的新技术它不是单一方面的一定是全方位,软件到系统到机理,到结构性设计,到电芯到材料,才能真正使能量密度提高和安全性得到兼顾。

CTP最近行业里面公司也有发布,我们新闻上可以看到,它通过减少结构性的零部件,使空间得到释放,释放出来空间一部分节约下来,一部分可以用于改善安全性,比如通过取消模组两侧的端板,包括连接件、结构件大量取消,我们会释放很多内部空间,如果我不做一些冗余设计,它直接反应就是电芯到电池包这个边量空间大大增加,撞击侵入到电芯的几率也会降低。如果我们通过隔热材料防火墙技术加到电芯跟电芯之间,通过电池结构性改善增加一些特殊的衡量,来阻隔热蔓延。实际上取消板的空间我们通过添加一些新的材料,和添加新的结构设计,得到了平衡,但是换来的是安全性的改善。比如说我们做过很多热失控的测定,不同厚度对热失控控制影响,会不会扩散到第二颗第三颗电芯。这也是一种兼顾性的设计方案。

这种C to p设计刚起步,我们可以称为第一代,第二代可以进一步优化。第一代很多公司使用会考虑扎袋式,第二代扎袋可能取消用堆袋式,整个未来对整车专用平台开发的电池包技术在未来还有很大的创新和想象空间,并不局限于我们现在的认知,我们现在很多动作电池包设计的认知,还是来源于我们油改电的束缚下,如果我们真的正向打破原来所谓的355、360模组限制,实际上这个想象空间巨大。C to p同时带来一个新的挑战就是售后维护,售后维护问题将来肯定可以得到解决,一个大模组整体式更换也可以。另外随着国内外新的理念式工厂建设和竣工,包括原材料技术升级和控制手段升级,电池制造一致性会相比前几年得到大幅提升和改善,一致性的提升也为我们推行C to p提供一个非常好的基础。这个试用范围我们做过推演,全面布置,A60级到B级车都可以试用,通用性非常强,灵活性非常强的设计方式。

以上就是关于如何兼顾能量密度和安全性我们的一个围绕三方面工艺设备、材料、核心技术的思考,我们认为在未来一定是在提高能量密度的同时也提高安全性,包括提高循环寿命,而不是提高能量密度降低安全性跟能量密度,这不是终极的解决方案。

最后简单介绍一下蜂巢能源,蜂巢能源最早属于长城汽车下面的电池事业部,在2018年独立成公司,现在跟长城汽车并列的兄弟公司,共属于长城控股,这样做的目的也是为了成为独立第三方的公司,面向整个市场进行开放。产业链布局方面从2017年蜂巢能源就开始做产业链布局,我们一期项目将在下个月投产,二期项目将在明年年底投产,同时除了在保定有一个研发中心以外,无锡也在筹建第二研发中心,韩国也有研发中心,这就是全球研发布局,现在主要研发在河北保定投资7个亿的研发中心投入使用,韩国做材料的开发,上海做BMS,印度做BMS底层和测试,无锡是做固态电池和前沿技术的开发,同时日本我们也有一个前沿材料的办事处,也在筹建美国跟德国的办事处,工厂现在主要考虑在常州作为第一工厂,今后还会在国内布局两到三个工厂。

这是常州工厂的整个规划,同时我们也在筹建欧洲工厂,欧洲工厂规划也是比较大的,到2025年达到24G瓦时,现在在做考察。产业链除了做电芯,模组、BMS都是自主开发,整个研发人员有1100人,产业布局相对比较完整,有储能和太阳能事业部。

我们希望在未来以车规级的产品去推出动力电池,因为我们自己的定位是懂汽车的定位专家,我们的出身就是汽车企业,所以对车规级的理解以及对汽车企业的需求,以及对汽车未来对电池真正设计的标准,我认为我们还是有一定独特之处,也希望在后期跟行业里面的各位专家、各位前辈都交流,谢谢大家。


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文章标签: 电池

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