汽车动力电池的新发展：无钴/叠片/CTP

　　[爱卡汽车 新能源频道 原创]

　　电动汽车诞生至今，已经遇到了不少问题。前几年，续航里程不足是电动汽车最大的痛点，过短的续航里程让电动汽车看上去就像一个笑话。现在，新款电动汽车的续航里程已经普遍达到了500km，续航不再是问题，但是层出不穷的自燃甚至爆炸事故让消费者对电动汽车望而却步。今后几年电动汽车还将面临更多的难题，比如充电速度，比如电池的废物处理和回收利用。相信你一定发现了，电动汽车面临的这些问题全部都跟电池有关。业界已经越来越清晰地认识到，制约电动汽车发展的最关键因素就是电池。

　　但是，提升电池的性能又谈何容易。在2017年，工信部等有关部门联合印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》。在这份方案中提出了几个电池的发展目标：2020年动力电池系统能量密度达到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下；2025年动力电池单体能量密度达到500Wh/kg。如今三年已过，现在电池的性能、成本距离2020年的目标还有不小的差距，2025年的目标更是遥不可及。这说明动力电池技术的研发进度比行业顶尖专家的预期还要慢一些，其难度可想而知。

　　好在新能源已经成为了大势所趋，有越来越多的资金和人才正在进入这个领域。在今年，汽车动力电池行业出现了一些创新技术，为加速电池性能的提升带来了一丝曙光。在这些新技术当中，有电池材料的创新，有生产工艺的创新，也有电芯成组技术的创新。

　　一、材料创新：无钴电池降低成本

　　目前市场上主流的动力锂电池有两类：磷酸铁锂电池和三元锂电池。所谓的三元材料就是指镍、钴、锰这三种金属元素。其中钴是动力电池正极材料中的重要元素之一，不但可以稳定材料的层状结构，而且可以提高材料的循环和倍率性能。

　　但是，全球钴的资源是比较稀缺的，每年钴的产量约20万吨，其中有50%左右是用在消费类电池上，比如手机、笔记本；有14%左右用于新能源汽车的动力电池；其他的应用于核心领域或者是军工领域。随着新能源汽车的迅猛发展，钴的需求量也在持续激增。如果不考虑回收，2026年以后，钴就将供不应求。有限的钴元素资源，无法支撑新能源汽车无限的发展空间。

电池技术有很多发展方向，包括高镍、无钴、富锂锰基等等。在现阶段，无钴材料是一条能够很快获得成果的技术路线。目前无钴电池的能量密度可以做到240-245Wh/kg，十分接近于目前商业化应用能量密度最高的NCM811三元锂电池的水平。无钴电池在抗过充能力、热稳定性、使用寿命、成本等方面都有明显的优势。

在今年5月，蜂巢能源率先发布了2款基于无钴材料的电芯产品。其中一款是基于VDA标准的590规格电芯，容量为115Ah，电芯的能量密度达到245wh/kg，它将在2021年6月份推向市场 。另一款是适用于大模组的长电芯，容量226Ah，它将可以支持新车实现880km的续航里程，这款产品预计可以在2021年下半年实现量产。

无钴电池相比三元电池最大的优势在于成本和安全性。在成本方面，蜂巢能源的NMX无钴电池材料成本可降低约10-15%；在热稳定性方面，无钴电池轻松通过150℃的热箱实验，而三元电池在这样的高温下会起火。

　　　　二、生产工艺创新：叠片工艺提升性能

　　汽车动力电池将朝着长电芯、大模组的方向发展，传统的卷绕方式电芯已经不能满足车规级动力电芯的形态要求，取而代之的是叠片工艺生产出来的电芯，由于叠片电芯尺寸灵活，不受卷绕卷针结构的限制，层叠方式生产，极片的界面平整度高，在车规级动力电芯领域将得到广泛应用。

传统的电池采用卷绕方式生产，对壳体空间的利用不够充分，而且容易导致局部过热。用叠片工艺生产的电池在能量密度、寿命、成本、安全性等方面都有一定的优势，松下等行业巨头均有在2022年之后导入叠片工艺的计划，而蜂巢能源抢先一步已经用上了叠片工艺。

叠片工艺面临的问题主要在于设备、工艺、制造、效率等方面的瓶颈，导致单工位效率低，制造成本高。而蜂巢能源通过持续的研发投入和技术攻关，目前已完成行业首例45°旋转式高速叠片的开发与导入，叠片效率超出行业传统叠片设备单工位效率的40%。正是这样的优势，让蜂巢能源可以抢在行业巨头之前应用叠片工艺。

在2020成都车展上，蜂巢能源展出了各种规格的高速叠片电池。相比同类型卷绕工艺电池，蜂巢能源的叠片电池能量密度提升5%，循环寿命提升10%，成本降低15%。

　　三、电芯成组技术创新：CTP提升能量密度

　　在汽车动力电池领域，有一个“成组效率”的概念。一般而言，数个单体电芯构成一个电池模组，再由多个电池模组构成电池包。从电芯到电池包，冷却系统、线束等附件越来越多，占据了不小的重量和体积。所谓成组效率，就是指电芯的重量/体积与电池包的重量/体积之比。在电芯性能不变的前提下，成组效率越高，电池包的能量密度和体积密度就越高，性能就越强。

　　提升电池成组效率的最直接途径就是采用更大的电芯。从目前应用广泛的VDA标准的电芯，到下一代的MEB标准电芯，一大变化就是电芯单体的长度大幅增加。有些电池厂商更加激进，推出了CTP（Cell To Pack）技术，即电芯直接成组，跳过了电池模组的环节。在CTP电池组里，电芯的长度与电池组的宽度相当，可以达到1m以上，所以电芯的数量会大幅减少，整个电池组的能领密度大幅提升。

目前，宁德时代、蜂巢能源、比亚迪等电池厂商都推出了自己的CTP无模组电池技术。在年底应该就会有采用CTP电池技术的新车上市了。