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刀片電池能否顛覆新能源汽車市場 | 原創研究
HEAVEN-SENT Capital Management GROUP http://www.6466287.live | Time:2020-04-03 | reading:664

作者:天堂硅谷智能制造事業部 江澈


對于電動車而言,電池無疑是其最核心的零部件。目前市場上主流的電池為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。傳統的磷酸鐵鋰電池具有循環壽命長、安全性高的特點,但是能量密度??;而三元鋰電則相反,能量密度較高,但循環壽命和安全性都相對更弱。


前兩年的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池之爭,在高續航的驅動下,三元鋰電池從2018年開始裝機量便超越了磷酸鐵鋰電池,而到2019年一度達到了62%的比例。三元鋰電的高速擴張似乎也預示著電動車進入了續航里程為王的時代。即便如比亞迪這樣全球磷酸鐵鋰電池最大的生產商,也在三元鋰電池的市場大趨勢下選擇了三元鋰電池和磷酸鐵鋰“兩條腿走路”的戰略。但優勢在磷酸鐵鋰的比亞迪并未在三元鋰電池的路線上特別突出。而在此時,三元鋰電池的廣泛使用也使得更多的電動車安全事故出現在人們的視線中。


比亞迪為重奪昔日優勢,在市場都在關注電動車的長續航性能,逐漸忽視安全性的趨勢下,潛心研發兩年,終于向全球祭出了其積累兩年的成果——“兼具高續航和高安全性的”刀片電池。


01
什么是刀片電池



刀片電池的本質還是磷酸鐵鋰電池,主要是對磷酸鐵鋰電池做了結構的改變,從塊狀變為刀片狀。


根據比亞迪介紹,刀片狀的磷酸鐵鋰電池不僅克服了三元鋰電的安全性問題,還克服了傳統磷酸鐵鋰電池的低能量密度問題,也在問世時一舉受到了市場的關注。該電池已在重慶量產,并已在長沙建設,且將同比亞迪漢一同在今年6月上市。


那么刀片電池是如何實現其高安全性和高續航能力的呢?


02
高安全性



安全是目前制約電動車發展的最大障礙之一,電池安全首當其沖。2019年5-7月中共發生79起電動車安全事故,58%源于電池問題,而其中86%源于三元電池,7%源于磷酸鐵鋰。電池的安全問題主要是由于撞車、電池短路、尖銳物體刺到電池造成的熱失控問題,造成放熱多、溫度升高甚至失火。


所以安全性一直是各車企和電池廠商尋找改善的方式。雖然三元鋰電池由于高續航里程在目前占據了更多的市場份額,但是三元鋰電池安全性能相對更差,磷酸鐵鋰的安全性高安全性也仍然是市場公認的,其先天具備熱穩定性,故安全性的解決首先需要從磷酸鐵鋰電池入手。


而刀片電池則是在傳統磷酸鐵鋰的基礎上做了結構調整,使得安全性有了較大的提升:


(1)刀片電池的形狀設計使得短路回路長,即便短路了,也不會產生過多的熱量;


(2)刀片電池的電芯采用疊片結構+耐高溫和具有絕緣性能陶瓷涂層,并且磷酸鐵鋰材料本身化學性質較為穩定,放熱反應的啟動溫度高、發熱慢、產熱少,并且在面對撞擊、針刺、短路等情況時不會釋出氧分子,因此當內部發生短路時,各物質間不會發生劇烈反應、極大減小了燃燒風險,即便是在極端情況下,也僅僅會出現冒煙現象;


(3)此外,在電池包的布局方面,對安全性進行了特殊設計,磷酸鐵鋰電芯長度陣列式排封裝在“0.6-2.5米”的電池包中,將大電芯通過陣列的方式排布在一起,使它們像“刀片”一樣堆疊在電池包里面,而且還在電芯周圍配備了蜂窩結構護板,能保障電池內部的熱擴散性能。


而在比亞迪公開的最嚴苛的針刺測試中,刀片電池也較傳統的磷酸鐵鋰電池和三元電池更有優勢。三元鋰電針刺后瞬間劇烈燃燒,溫度高達500度;塊狀磷酸鐵鋰電池針刺經過數秒后也會冒煙,溫度也超過200度;而刀片針刺后只有30-60度,也未出現明火,相對更加安全。


【原創研究】刀片電池能否顛覆新能源汽車市場


但是上述實驗主要是基于單體電池的實驗,但當電池集成為電池包置于電動車中時,需要考慮更多的因素。由于電池的結構變化,使得托盤的設計也徹底做了變化,取消了電池殼體的結構梁,使用刀片電池的每個電芯殼體充當電池的梁,把電池系統的結構強度建立在電芯的結構之上。如果出現側碰或者其他的碰撞,刀片電池的電芯的結構是直接承接力的,碰撞之后電芯會受到損壞(而之前幾乎所有車企之前的碰撞設計,都是通過車身和電池系統的結構組合,讓碰撞不能擠壓到電芯,碰撞之后盡可能電芯是完整的)。所以刀片電池的安全性還需要在實際使用過程中進行驗證。


03
“高續航”解密



從電池單體來看,刀片電池在傳統的磷酸鐵鋰電池上進行了扁平化的結構設計,其尺寸更長、厚度更薄,由于長電池單體容量更大,也一定程度上提升了其能量密度。


【原創研究】刀片電池能否顛覆新能源汽車市場


就單電池而言,市場上的磷酸鐵鋰電池質量能量密度普遍在180Wh/kg左右,而比亞迪的刀片電池也略有提升,但也僅提升至了190Wh/kg,磷酸鐵鋰的能量密度目前逐漸接近了理論的上限,而三元鋰電池則在240-260Wh/kg左右。刀片電池的體積能量密度為370Wh/L,也比三元鋰電池的550Wh/L要低很多。所以刀片電池對電池單體并提升作用非常有限。


刀片電池的提升主要在于電池結構的調整以及集成效率的提升。傳統的動力電池還有著從電池單體到模組再到電池包的三重結構,電池到模組利用率80%,模組到電池包只剩50%,因此電池包留給電池的空間只占整個利用率40%。而刀片電池通過結構的調整則可以提升50%的空間利用率,即60%。


目前市面上常見的電池包很多基于小模組(比如355)+電池包內各種固定件、支撐件得來,模組結構件+高壓連接+線束+固定件+支撐件+其它件,占據了相當多的體積,所以集成效率不會太高,而電池的發展需要進一步的提高集成效率,在有限的空間中達到更高的電池包能量。


刀片電池的集成取消了電池殼體的結構梁,使用刀片電池的每個電芯殼體充當電池的梁,刀片電池以刀片狀的電池填補空間,使得體積利用率最大化,從而使得電池包的體積比能量有較大幅度的提升。按60%的利用率計算則為222Wh/L,與三元鋰電池220Wh/L(單體550Wh/L的40%)的基本一致。


但是2019年第8批新能源汽車目錄的170輛車中,有31款搭載磷酸鐵鋰電池的車型系統能量密度達到或高于160Wh/kg(三元鋰電池系統能量密度甚至達到170Wh/kg)。而根據比亞迪的官方介紹,搭載了刀片電池的比亞迪漢的電池系統能量密度僅為140Wh/kg,可見其集成后的質量能量密度還不如市場上較優質的磷酸鐵鋰電池,更低于三元鋰電池。


雖然集成后的刀片電池在體積能量密度有較大提升,但是質量能量密度卻有所下滑,從而導致了要達到比亞迪漢宣稱的600km的高續航,需要更多的電池進行集成,從而使得比亞迪漢的車重也高達2.2噸(同為轎車的model 3重量1.6噸)。由于車重較大,行駛過程中遇到的阻力較大,非動力電量消耗也會更多,續航里程也將會在600km的基礎上大打折扣。


綜合而言,刀片電池整體對于能量密度的提升極為有限,暫時還不能替代三元鋰電池在續航方面的優異特性。



04
電動汽車發展的本質商業邏輯和安全性邏輯



電動汽車發展的本質商業邏輯并不是電池的封裝結構可以改變的,本質上在于電池資產的通用化,用戶需要用多少電承擔多少電池的折舊,而不是承擔全壽命折舊卻只使用了10%壽命這樣的錯配模式。錯誤的模式下技術改進只會導致產業越來越糟,正確的模式下,無論哪種電池技術都可以找到他自己的應用場景。

電池的安全性邏輯在于單個電芯永遠都會存在失效,這是根本。失效以后需要的是PACK技術的隔離和延緩來保證使用者的安全,就跟新冠病毒一樣,隔離、延緩、對癥才是根本解決方案。


04
總結



總之,比亞迪推出的刀片電池的主打還是安全性,也有待在實際使用過程中的驗證,在續航里程的提升方面還有很長的路要走。但是刀片電池也為市場上電池的持續創新提供了前進的方向和動力。


此次刀片電池的發布有望使得磷酸鐵鋰電池從三元鋰電池搶回一定的市場份額,但由于刀片電池的“不完美”,未來的幾年內也仍將是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池共存的狀態。

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