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从困境到机遇 软包电池的新生之路
2023-10-27 10:00:08 7911
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    一个冷知识:相比1885年才诞生的第一台内燃机汽车,电动车的诞生早了近半个世纪。

    但遗憾的是,由于动力电池展现出的实力远不及汽油,在汽车接下来的百年发展进程中,电动车完全沉寂。直到2003,一家名叫特斯拉的公司成立后,动力电池的命运齿轮才算真正开始转动。

    伴随着市场和需求的不断变化,关于动力电池的不同技术路线不断走到台前、暂居幕后,几经起伏。

    而如果从封装形态的变化作为切入点去观察,我们会发现,一场关于软包电池的“翻身战”已然打响。

    软包走上历史舞台

    软包动力电池的发展最早是由日本AESC以及韩国LG化学推动的。2007年,AESC把用于手机的软包电池打造成符合车规级标准的大软包,LG化学也在2010年生产了世界首批PHEV软包电芯LMO/NCM111。

    也是从2010年开始,软包电芯通过持续工程化改进、做大单体容量,持续缩小与圆柱电芯在单体能量密度上的差距,并最终实现了反超。

    与此同时,日产在纯电车型聆风Leaf上装载AESC 24kwh软包电池,这款紧凑型纯电A级车一经推出便大受欢迎,成为了第一款真正意义上实现大规模量产的纯电车型。

    一边是技术成熟度和性能的不断提升,一边是大规模的量产装机验证,再加上圆柱电池性能提升曲线地逐渐放缓,成本优势逐渐减弱,软包电池开始在全球市场攻城掠地,尤其是LG化学运用高能量密度的镍钴锰(NCM532)锂电池与走圆柱路线的松下NCA进行对标后,软包电池获得了欧美主流传统车企的偏爱。2022年欧洲销量前20名的电动汽车中,就有包括大众ID.4、ID.3、斯柯达Enyaq等热门车型在内的12款车型采用了软包电池。

    国内艰难开局,有人迎难而上

    但事情的发展总不像人们期待的那般顺利,尽管软包电池国外开花,但香味却一直难以飘进国内。

    原因有很多,首先是我国的动力电池相关政策。

    2015年3月26日,工信部发布《汽车动力蓄电池行业规范条件》,明确要求自2015年5月1日起,动力电池企业需按照要求,通过“汽车动力蓄电池生产企业管理系统”进行在线申报,只有搭载“白名单”内的动力电池,才可以进入《新能源汽车推广应用推荐目录》,进而获得补贴。以软包见长的日韩动力电池企业自然与此无缘。

    而在这一时期,以宁德时代、比亚迪为代表的动力电池企业快速发展,把方形电池的规模做得很大,分走了国内电池装机量80%左右的份额。在领头羊的示范效应下,车企也就更多地选择方形电池。

    除了大环境,软包电池本身也有一些弱点长时间未被解决。

    比如,产品一致性较难把控,这对企业的技术水平、制造工艺等提出了更高的要求;铝塑膜等部分原材料及生产设备的采购渠道较为单一,相关供应商一旦出现问题,将对软包电池生产供应产生一定的影响;在方壳CTP(cell to pack)逐渐成为主流趋势时,软包由于结构强度不足,模组难以取消导致成组效率低等等。

    这些问题,让软包电池在面对指数级增长的市场以及整车带电量逐渐增大带来的稳定性需求时,显得有些难以应付,因此,市场渗透率一直难有提升。

    就在行业认为软包电池很难再有突破时,一直在新能源汽车未来需求无人区里的孚能科技自主研发了SPS(Super Pouch Solution)超级软包解决方案,给行业代来了另一种解题思路。

    SPS创新结构破难题

    孚能科技SPS超级软包解决方案主要围绕大软包电芯、大软包电池系统、大软包电池制造三个核心点进行产品创新升级。

    尤其在电池包结构层面,带来了不少让人眼前一亮的革新设计。

    传统软包模组中的电芯常用竖放形式,且为了抑制电芯的膨胀并增加强度,每个模组都有侧板和端板这样的结构件存在(如下图所示)。但电池箱体的高度往往随车型不同而多变,当电芯的宽度大于电池箱体高度一半时,箱体中只能布置一层电芯,箱体顶部空间将会无法利用,浪费严重。

    传统电池模组示意图

    而孚能科技转换了思路,首先是去模组化,通过液冷板+一体式压板+塑料端板将电芯集成在箱体的成组方式,替代了传统模组+箱体的结构形式。同时,用塑胶端板替代了传统的金属端板,电芯与电芯之间采用极耳搭接焊接,取消了传统的汇流排,并通过电芯两侧的液冷板对电芯进行双面液冷,从而提高电芯散热效率,同时该液冷板替代了传统箱体的横梁,加强了电池包的强度,达到减重、降本、提升能量密度三个维度的目的。

    孚能科技SPS电池包示意图

    根据资料,孚能科技SPS使电池系统部件减少50%,材料成本降低33%,提升体积利用率到75%。这意味着,同样的体积大小,SPS结构能装入更多电池,而同样电量的电池包,比如100度电的电池包,SPS结构对比方壳电池包能实现20-30公斤左右的减重。

    在保持电池系统底盘尺寸不变的情况下,孚能科技SPS能通过调节卧式布置的大软包电芯厚度,灵活调节电池系统的底盘高度。这意味着,搭载不同能量密度的大软包电芯,能让电池系统拥有从80kWh到150kWh的不同电量,满足车企未来长期的产品需求。同时,能缩短整车企业新车型的研发周期,并降低采购成本,保障稳定供应。

    在安全层面,电芯堆叠体两侧设有液冷板,液冷板与电芯堆叠体的侧壁之间填充了导热涂层,电芯堆叠体实现了两面液冷,三面传热,散热效率比模组方案提升了4倍。再配合电芯层面的定向泄压和电池包热电分离,解决了电池包热失控问题。

    孚能科技SPS安全设计

    安全性能有了保障,再加上化学材料的升级,SPS的快充能力也得到了进一步提升。就拿当前市场上常规续航600km、800km和1000km的车型来说,孚能科技SPS大软包方案可根据不同的续航车型定制不同的快充解决方案,助力客户“充电10分钟,续航400km”的快充表现。

    “组合拳”释放软包优点

    当然,上述只是SPS创新中的一部分,SPS 电池包系统的革新并不是孤立的,需要材料端、制造端、研发端共同发力。比如在核心材料铝塑膜端,孚能科技从2021年开始就逐步切换到国产供应商,并与供应链一起联合开发,最终通过多项测试与验证,在产品应用上得到了很好的结果。目前,孚能科技的新项目在铝塑膜环节基本实现了国产化,成本也随之大幅度下降。

    而在制造端,孚能科技自研了SPS超高速叠片技术:集成了极片放卷、裁切、热复合、多片飞叠、热压等功能,在确保叠片高精度对齐、界面高一致性同时,使叠片速度高达0.125秒/片。

    同时,为了提升良品率,孚能科技采用行业先进配置,机器人使用量达1200台,电芯制造生产的自动化率高达98.5%,品控也做到了PPB级别,电池包失效率能达到千万分之一。

    可以说,SPS的创新性结构设计配合生产制造端的进步,软包电池曾经的劣势被一一攻破,其单体高能量密度、高安全性能、长使用寿命、尺寸以及形状设计灵活等多方面优势得以真正激活。

    而在成本层面,SPS也打破了软包电池给人小众且高价的固有印象。

    以往软包电池多出现在豪华品牌车型,甚至是专业电动赛车上,但SPS的推出做到了在保留软包电池高性能优势的前提下,通过化学体系的兼容性、设计及制造成本的降低等多条路径,实现了经济性,给软包电池带来了更多发展空间。

    孚能科技与国际顶级跑车品牌Venturi合作,助力其在国际汽联电动方程式大赛中获得第五名的成绩

    再加上作为无缝升级到动力电池终局形态——固态电池的最佳过渡路线,难怪孚能科技董事长王瑀在面对媒体时,才有足够的自信表示,“在未来十年的发展过程中,SPS这个结构是最好的结构。”

    而市场端,也给出了积极回应。据悉,广汽埃安昊铂GT710km高续航版和昊铂HT 670km版车型都搭载了孚能科技三元软包电池,岚图追光和梦想家也在相应车型上选用了孚能科技的SPS产品。

    在方壳电池拥有绝对统治权的国内市场,以孚能科技为代表的软包电池企业开始展示自己的破局之道。

    纵观全球市场,动力电池领域仍处于技术路线百花齐放、创新技术此起彼伏的阶段,本质依然是不同使用场景中,寻找成本+安全+性能的最优解。在纯电市场续航稳定和车企开始发力补能效率的大环境下,以SPS为代表的创新软包电池产品正在迎来一个新的时代机遇。

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