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    孚能科技董事長王瑀:軟包,未來新能源乘用車市場的寵兒
    發布時間:2021-03-19 21:53:00
    關鍵詞:動力電池

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    編輯丨麥 子

    美編丨CBEA獨耀


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    ▲圖為孚能科技董事長王瑀作主旨發言



    日前,“第二屆新能源汽車及動力電池(CIBF2021深圳)國際交流會”在深圳隆重召開。孚能科技董事長王瑀在開幕式專場作主旨發言。


    以下為孚能科技董事長王瑀發言內容(整理): 


    *注:以下軟包電池均指軟包鋰離子電池

    非常感謝組委會的邀請,也非常感謝在座的各位對本次會議的支持,希望大家通過這次會議對鋰離子軟包電池有進一步了解,一起把軟包電池做好,為新能源汽車未來的蓬勃發展做出貢獻。


    01

    軟包——時間的朋友,未來新能源乘用車市場的寵兒


    1990年索尼公司率先開發了鋰離子電池,1994年軟包鋰離子電池被提出,1996-1997年多家日本公司開始了液態及凝膠鋰離子軟包電池產品技術開發及應用,現在鋰離子軟包電池幾乎壟斷了3C市場。隨后,軟包電池開始在汽車方面的開發應用,2000年軟包電池在汽車行業的應用正式拉開帷幕。


    軟包電池在國際市場上比方殼電池應用更廣泛,歷史更悠久。放眼歐洲市場,根據EV Sales的數據顯示,2020年歐洲銷量排前20名的電動車中,其中有15款采用的是軟包電池,包括戴姆勒、日產、雷諾、大眾、現代、奧迪、沃爾沃等,大家能想到的大部分廠家,基本上都有軟包電池應用的車型。


    02

    三高一低”——軟包的獨特優勢


    l 高安全

    由于軟包電池的形狀是長方形,并且很薄,傳熱面積大,非常便于散熱和熱管理,這樣使得電池在極端的情況下都能受控。所以電池正常產熱甚至熱失控發生時,熱量能很快釋放出去,另外熱失控產生的氣體也很容易在軟包電池中釋放,能夠迅速的降溫,這些特點都會使電池熱失控帶來的破壞性降到最低。


    l 高能量密度

    軟包采用鋁塑膜封裝的形式,相同容量前提下節省更多的裝配組件,理論上能量密度可以更高。例如,我們的量產電池能量密度達到了285Wh/kg,并且仍在持續提高過程中,能量密度方面明顯優于方殼及圓柱電池。


    l 高靈活性

    軟包電池的形狀非常適合于未來新能源汽車的發展,形狀可變,尺寸可調,并且重量方面較同等容量的鋼殼電池輕40%,比鋁殼電池輕20%,可以說滿足了OEM各種差異化的需求,提供了從超跑到越野車的底盤集成化方案。它很適合不同的場景應用。


    l 低成本

    相比較其他形態,軟包電池的理論材料成本最低,同時軟包電池的內阻較小,可以極大的降低電池的自耗電,循環壽命更長,也是成本的降低。雖然當前軟包電池設備沒有方型電池設備成熟、設備攤銷稍高,但未來會大幅改善。方形電池、圓柱電池自1990年開始走過漫長的發展歷程,回顧過去,90年代的圓柱電池設備遇到的問題和現在軟包電池遇到的問題是一樣的,我相信在座的設備供應商同仁們,都會在未來為我們開發出更高效的軟包設備,一起把軟包電池的優勢發揮出來。


    軟包電池的應用非常廣泛。在巴黎會議之后,國際社會提出了碳中和、碳排放的全世界共同努力目標。未來,在儲能、智慧家庭、智慧城市、能源互聯、工業等市場,電池產品應用會越來越多,發展空間將會非常廣泛。軟包電池獨特的安全、長循環等優勢,為上述市場提供了有力的技術支持。


    03

    車用電池的“四大挑戰”


    1)能量密度——電池作為汽車的核心零部件,在滿足新能源車基本要求的同時,電池的標準化越來越受到關注,但目前電池由于能量密度還比較低,還無法滿足這些要求。眼下為滿足續航里程及其它性能的要求,需開發多種不同型號動力電池。為了持續滿足未來新能源汽車行業發展的需求,需要重量更輕、體積更小的動力電池。目前量產或已接近量產階段的動力鋰離子電池能量密度大約在300Wh/Kg左右,我們未來需要盡快突破400Wh/kg及1000Wh/L的產品開發及產業化的技術瓶頸。


    2)快充——新能源汽車目前的充電時間大約是1個小時,這個時間依然太長。想象一下如果我們駕車從深圳開往武漢,中間需要花1小時停下來充電,這是什么樣的心情和感受?如果快充問題得以解決,我們就不需要背負又大又重的電池,汽車的成本也會相對降下來。目前行業里的共識是:在不影響續航的情況下,充電的時間能夠快速降低到15分鐘以下。


    3)安全——最近兩年經常會看到有關新能源汽車熱失控、起火等報道,電動車的安全已經引起行業的關注,成為制約新能源車發展的、必須克服的技術問題。電池系統安全有可能是產品設計問題,也有可能是產品制造問題,同時還有可能是使用不當的問題。首先在設計階段保證電池整體系統的安全,尤其是目前在電芯技術無法達到絕對安全的階段,更需要在系統整體設計方面確保安全;二是確保無制造瑕疵,使設計安全得到保障;另外,確保在客戶使用過程中電池包控制不超越安全使用邊界。當然,如果能徹底解決電芯本身熱失控問題,未來的模組及系統設計、電池的管理就變得相對簡單。


    4)成本——2000年,我們預測過如果車用動力電池系統能量密度能達到300Wh/kg,成本能達到$100/kWh, 電動車的普及就不應該成為問題?,F在來看,電動車已經開始大規模的走向這個目標。三元電池系統的成本與$100/kWh還有一些差距,但是已非常接近了?,F在我們的整車客戶又向我們提出新的成本目標,也就是$80/kWh,如果這個目標能夠實現,電動車的動力系統成本與汽油發動機成本基本匹配,整車的成本不會高于傳統的汽車。此外,再加上電動車使用成本低的優勢,電動汽車的競爭力將會變得更強。 


    l 能量密度提升路徑:

    電池能量密度關鍵取決于電極活性材料。過去幾年,由于正負極材料方面的發展,尤其是高鎳/高電壓三元材料及高容量石墨材料,使得近300Wh/kg軟包鋰離子動力電池的產業化成為現實。另外,低載量氧化亞硅基及硅基石墨材料的開發及與高鎳三元材料的結合,預計將使320Wh/kg軟包鋰離子動力電池很快將進入產業化階段。雖然在提高能量密度方面取得上述可喜的技術及產業化進展,但目前還沒有成熟的技術解決>400Wh/kg電池的產業化問題。要突破400Wh/kg技術瓶頸,需要開發更高能量密度的負極,例如:更高載量的硅基石墨、硅、金屬鋰等負極材料;以及更高能量密度的正極材料,例如:>250mAh/g、高電壓三元材料及其它更高能量密度的正極材料。孚能科技從2002年開始一直專注于開發>1000mAh/g負極材料及>250mAh/g正極材料及其產品的產業化,目前已實現285Wh/Kg軟包鋰離子動力電池的產業化。


    孚能科技希望與各位同行,尤其是材料供應商們一起努力,去突破材料上的種種瓶頸,使得動力電池能量密度不斷提高,滿足新能源汽車整車對動力電池續航里程、快充、輕量化、標準化等方面的需求。


    l 快充性能提升路徑:

    我們知道快充需要解決直流阻抗和離子傳輸問題,跟材料及電池設計有很大的關系。目前鋰離子動力電池高快充能力主要受以下兩方面的制約:


    1、電池的阻抗。鋰電池充電電壓窗口比較窄,如果電池阻抗太高,在大電流充電情況下很快達到電池規定的截至電壓,造成充不滿電的結果。電池的阻抗大小取決于電池的材料及設計,正負極材料的導電能力及鋰離子遷移能力,電解液電導率、導電輔助材料導電率、載流體等;


    2、以石墨為負極活性材料的鋰離子動力電池的析鋰。制約目前鋰離子動力電池另外一個因素為負極析鋰問題。為了確保不析鋰,在鋰離子電池設計及使用過程中,負極的電位控制在0伏以上,一旦負極電位低于0伏,在充電過程中,負極將會析鋰,從而帶來安全隱患。大電流充電時,阻抗太高很容易就充到了截止電壓,達不到滿充的目的,同時也造成負極過電壓產生析鋰。如何解決電池阻抗的問題以及負極過電壓無析鋰,同時滿足整車廠電池性能及快充要求,電池廠需在充電能力與其它性能方面找到平衡。對于快充電池來說,目前的技術只能犧牲能量密度,比如說280Wh/kg變更到240Wh/kg,或者采用能量密度低但快充能力比較好的材料以實現快充的變通方式。軟包電池本身阻抗比較小,形狀非常利于快充電池的設計。歸根到底,我們要從根本上解決石墨不析鋰的問題,在電池的阻抗和設計方面就要繼續的挖潛,需要更好的導電劑、阻抗低的正負極材料,提高一些負極材料充電電壓及開發無析鋰的負極材料。硅材料在這方面有獨特的優勢,硅基材料可助力充電能力大大提升,也為未來的快充提供了很好的方向。對于孚能科技來說,對未來將會推出的>300Wh/kg的電池產品,都會為快充提供良好的解決方案。


    l 安全性能提升路徑:

    解決電池安全問題需要分兩條腿走路。


    一是從活性材料上解決,無論是嵌鋰的負極石墨材料,還是三元正極材料,在極端的情況下都會出現熱失控的問題。比如在負極上,如何解決鋰化后負極材料及SEI膜穩定性的問題。熱失控的一個引發點是負極SEI分解,熱量引發了隔膜紙短路及正極材料的進一步反應。負極上需做穩定SEI的工作,它的穩定性提高了,帶來的負面影響就是制約充電速度和電池其他的性能。正極材料方面,在高溫的情況下,它的反應還是非常高,尤其是三元811材料。如何解決高電壓正極材料結構穩定性和高電壓脫鋰后正極材料表面反應活性的問題是未來研究的方向。


    另外一個解決方向是電解液方向。軟包電池在極端情況下也會出現熱失控,雖然說它非常溫和。普遍認為固態電池是徹底解決目前鋰離子電池熱失控的最終方案。但就現階段而言,固態電解質還不成熟,離真正的應用還有很長的一段距離。我們認為發展的方向應該先從液態到半固態(凝膠),然后再到半固態(固體電解質),最后在過渡到全固態電池這樣發展歷程。半固態凝膠電池已經大大改善軟包電池的安全性,但由于還在使用傳統聚合物隔膜紙,在熱失控情況下,隔膜在130°以上還有收縮和熔化短路的發生,半固態固態電解質將會彌補上述缺陷,軟包電池的安全性得到很大提高。


    終極的目標希望能夠實現全固態,全固態電解液目前還解決不了的是固固界面問題,仍然困擾著行業的發展。對軟包電池來說,無論是凝膠電池,還是固態電池,軟包電池工藝及設備的適應性是非常強,不需要在這個過程當中對軟包電池的工藝、設備做大幅改動,軟包電池的生命力就在這里。所以,孚能科技在創立初期就確立了新能源汽車動力電池三步走的技術發展戰略,也就是軟包、疊片、三元加凝膠電解液、半固態固態電解質及全固態電解質。


    l 成本降低路徑:

    成本包括材料成本、制造成本、管理成本、全生命周期質保及材料回收成本。如何把電池的成本降下來?


    1) 首先是從材料入手。目前三元正極材料占電芯成本的40%-50%。眼下行業發展快速向兩類材料傾斜:一是高鎳、低鈷、高電壓、高能量密度正極材料;二是無鈷、低鎳、高錳、高電壓正極材料。這兩類材料有可能在未來1-2年產業化,同時,兩類材料的導入都會幫助未來軟包電池在成本方面降低,尤其是第二種高錳材料。新材料的導入永遠都是推動行業發展最重要的技術源泉。


    2) 工藝入手:工藝流程復雜,投資成本大,隨著整車要求越來越高,尤其是一致性要求方面,成本攤銷會越來越多。首先是否能簡化生產工藝,如用干法制片代替目前傳統制極片工藝?雖然干法制片工藝在電容行業已經實現了產業化,目前在鋰電行業還有很多技術瓶頸需要克服。未來,工藝的簡化可以助力成本大幅的降低。


    3) 設備入手:為了滿足整車的需求,我們對于每一個工序都要做到數字化可控和視覺可控,然而,隨即帶來的則是成本的增加。提升軟包電池的組裝效率是重中之重。生產線開發,從制片一直到封裝,有幾個環節制約著發展:1.高速制片:目前五金模切成本太高,激光切還不能完全代替五金模切;2.高速疊片:目前疊片機的速度太慢,無法滿足電池行業的發展。希望在座的設備廠商繼續助力,開發出更加高效的設備。


    4) 電池回收利用:鋰離子動力電池回收不僅可以協助保證未來鎳鈷鋰金屬供應,同時也可幫助降低電池成本。目前采用傳統的化學濕法冶煉方法不經濟、不環保、不符合碳排放的要求,需要開發更好的回收技術,如直接回收技術,回收后直接使用到產品去,這同樣能大大減少循環的周期和成本。自2007年開始,孚能致力于開發直接循環材料技術,希望該技術能直接回收正負極材料,而不要通過傳統的化學濕法來把材料回收后再合成,重走材料合成的老路。未來,期待與大家共同找到直接回收的方法,既環保又符合碳排放要求,共同實現2060年碳中和的目標。

    04

    孚能科技| 綠色能源解決方案提供商


    孚能科技的使命是提供綠色能源,構建智能世界。作為綠色能源一站式解決方案提供商,從方案設計到大規模、滿足客戶需求的生產,再到二氧化碳中和、循環材料的使用,孚能科技在行業耕耘了將近20年,積累了大量的經驗。目前為止,孚能科技有超過1億片電池在市場上應用,產品遍布全球。此外,我們在全球擁有超過4000名員工,分布在北美、歐洲和中國。截至2021年3月,孚能科技完成設備安裝的產能共計達到21GWh,全球產能還在進一步加速擴大。 


    希望上述這些觀點能夠同大家產生共鳴,未來期待和大家一起努力,與諸位專家和學者一道研討,攜手助力新能源行業的發展。


    謝謝大家。


    稿件來源: 電池中國網
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