【CBIS2020】力神周江:高安全高比能电池发展前瞻

发布时间:2020-10-18 阅读:(3820) 来源:今日财经网整理

2020年10月16日-17日,“第五届动力电池应用国际峰会(CBIS2020)暨首届中国新能源新材料(宁德)峰会”盛大开幕,在主题论坛1上,天津力神电池股份有限公司执行副总裁兼研究院院长周江发表了主题为“高安全高比能电池发展前瞻”的演讲。

以下内容为现场演讲实录:

首先非常感谢组委会的邀请,今年第二次参加这个会议,我今天的报告是专门讲BEV电池,因为力神有大巴、储能等等,今天专门讲一下BEV。之前讲的是材料开发,怎么提高能量密度,今年因为补贴的下降和其他的变化,可以看到像之前的开发,客户只找我们要三元的电池,现在在BEV要铁锂的电池,还有国外的用户,对BEV的发展和变化我们最近做了一些思考,今天在这里和大家做一个分享和汇报。

我的报告分三个部分,首先看一下从市场和客户端的需求怎么理解和分析这件事情。这是第1电动网的数据,特别8月份装机量占到整个装机量67.2%,后续我们会重点关注乘用车的电池的发展。另外一个是体系的问题,刚才提到前面之前开发的时候都是做三元电池,客户现在已经有明确的铁锂的需求,而且量还挺多。到底我们是选择铁锂,还是选择三元,三元以前投入巨大的力量做高能量密度的开发,现在有一些安全性的问题,那这条是否还要继续走下去,不同的化学体系,不同的材料选择应对什么样的客户,或者应对什么样的市场,是我们从前期的开发都要决定和考虑的事情。

准确的说终端客户关心什么,这是市场调查,像续航里程、充电体验、安全性和价格其实都是跟电池直接相关。当然这是一个市场调查的结果,但是实际上从我个人角度来讲,我们把安全性放在第一位。可以看一下续航里程,从细节分析来看,已经有87%调查的终端客户他们对续航里程的要求超过500公里,这其实和之前做其他的分析是非常接近,因为之前我们分析过大概如果续航里程在400公里以上可以满足将近90%日常使用需求,其实是非常接近。那个400公里的续航里程是实际开出来,这个上面讲的比如讲工况,这中间还是有一些不一样的地方。

再一个是充电,也是将近90%的用户希望充电时间在30分钟以内,这个对电池来讲是提升快充的需求。还有不同电芯的形态,力神比较特殊,我们什么都做,当然现在从我们乘用车的装机量主要出货还是以方形电池为主,在整个行业也是方形占比占到70%。另外,力神最早做圆柱电池,苏州有专门一家公司专门生产21700电池,比较高兴看到在这三种电池中间,圆柱电池占到将近21%的份额,还有少量的软包,我们软包也是在开发。从系统能量密度角度来讲,大部分在140Wh/kg,或者140Wh/kg到160Wh/kg,这个都会给开发企业提一些指导性的意见。我们做开发的时候肯定考虑今后几年的发展,所以后续也会基于这些做一些分析和阐释一些最近做得工作。

这是我们根据自己做得一些了解,不同的车型,轿车,不同的级别,包括SUV,他们对应不同的续航里程大概需要的电量。我们是这么来看这件事,当你续航里程大概在450-500km以内的时候,我们认为铁锂是可以涵盖这个市场,从能量密度角度来讲,是可以做到。这个其实跟车型有一定的关系,因为相对小的车没有太多的空间装那么多能量电池,所以他的续航里程没有那么高。但是像我们也有一些客户的合作开发SUV有相对比较大的空间的时候,续航里程是超过500公里,我只是把这条线大概划到450km以上,这是一个相对示意范围。前面讲到的超过500公里以上的,如果大家注意那张图,终端客户需求占到60%,主要的需求市场我们认为这一段其实中镍三元可以满足这个要求。再往上,前几天看到戴姆勒开发续航里程在700英里,大概1200公里左右的车,那个肯定还是需要三元。所以这个是我们从产品规划角度来讲做的一个考虑。

基于这个分析,我们会在产品上面做一些不同的调整。比如说像去年在会上讲报告的时候,对于方形电池基本上只是展示化学体系都是高镍的,今天大家可以看到明显的不同,多了一条铁锂的,三元这里没有展示高镍,基本上以中镍为主。不是说高镍材料不做了,只是现在调整一些开发的重点,更加突出安全性的考虑在里面,要达到一个平衡。

软包也是,但是软包我们现在基本上还是以高镍相对比较多一些,毕竟我们在软包没有做太多的量产和出货,根据客户需求开发,他们软包要求的里程比较长,还是需要用高镍的材料满足续航里程和能量密度的要求。

这是跟国内车企合作开发的铁锂的电池,这个其实是配合590模组,目前客户要求循环2500次,这是可以做到,而且可以看到铁锂电池本质非常安全。这是一个590的模组的电芯,之前展示都是高镍的材料,现在在尝试用不同的像NCM613,在不同的电压下看它的性能。目前4.4V还是有一些问题,材料角度,包括体积设计还是要做一些调整。但是在4.35V还是4.3V,不管是常温还是高温都可以满足客户的需求。其实能量密度不算太低,这是一些性能,不过多说。也就是说,高电压下,性能也是相当出色。

这是软包,我们做了一个中镍的产品,因为软包天生相对比较轻一些,所以能量密度达到250Wh/kg,这个测试有非常高的表现。从我们测试来看,这个性能还是非常出色的。

前面提到快充,刚才展示的软包电池也做了快充,这个性能也是相当好。做循环,大家可以看到循环后、快充后,拆解的电池负极表面状况还是非常好的。这里多说一句,在国内来讲,如果你的电池包很大,或者车的里程比较长,国内充电桩不能支持太高的充电倍率,所以说这个我没有详细去做分析放在这边,实际上也是我们在开发上不同的策略,如果强续航里程的车的电池,设计上可以不用考虑太多快充要求。但是对于一些400公里以内,需要每天补电的,需要在这方面做更多的考虑。

这是基于客户对于软包电池和快充的要求,始终是在10%到80%这样一个范围之内,目前可以做到30分钟充好,预计在明年的中期可能会做到20分钟,再往后希望在10分钟之内去做到从10%到80%这么一个区间。其实这个我们也做过充分分析,为什么从10%开始,不是0%,车上没有人会放空,哪怕续航里程700公里的车,还剩10%电量,大家都会去充电。另外到80%的时候,也有将近500公里的续航里程,所以这个通过跟客户充分交流,10分钟之内如果能够保证你的车还能跑500多公里,我们想这个里程焦虑的问题不会再存在。所以这个基本上我们都会选择这么一个范围去做。

今天重点讲一下安全性,先说一下我们最近做的一些工作对这个的认识,做一些阶段性的材料——中镍三元材料做成的电芯,今天主要特别希望安全性能够在电芯层面得到很好的解决。如果我们通过材料的改进和其他技术的结合,这个可以通过国标针刺,可以看到电压做完针刺之后,一个温度下降没有什么温升,另外电压还能有4.13V的保持,这个安全性是非常好,当然会损失一部分容量,这个不会太多,大概在5%左右。但是我们后续希望能够把这个量调低,同时做了这个工作,并且把电池做大了,标准客户需求的尺寸,能量密度也提高。做国标的针刺是没有办法通过的,但是我们也做了一个FreedomCar的针刺,在速度和针的直径上不同。我们做了改性之后,是可以通过。这个其实不是什么新的,不同的测试方法或者标准哪怕是针刺,有可能可以通过,有可能通不过。对于我们做开发角度来讲,我们会去模拟安全测试,但是哪种条件更接近于在实际使用中有可能发生的情况?我们找出来做模拟,实验室之间做研究,真正提供给终端用户符合实际情况,安全、有保障的电芯,这个我们正在思考这件事。不管是国标的测试,还是FreedomCar,我个人认为不会在实际情况中太大会发生,有可能内部的短路可能导致这个热失控,这时候该怎么去模拟,比如像现在已经有一些客户跟我们要求做慢速针刺等等这些情况,这是目前还在做的一些工作。热箱温度也会有效提升,以前做150度,NCM811勉强做30分钟,现在做到2小时都没有问题,并且170度的时候可以坚持一个小时,这个还是比较明显的改善。这是循环性能,常温没有什么变化,但是高温确实有一些影响,这个倒是没有太多的担心,包括存储性能。

再讲讲高镍,现在从电芯层面,如果高镍拿针刺来讲,或者150度热箱肯定过不去,哪怕容量比较小,能量相对比较低的电池,但是这个照片和江淮实际开发的一个实际模组,通过电芯的安全设计和模组的设计,这个前期做过宣讲,确实可以看到在这上面用外部加热的方法引爆了三颗电池,但是整个模组还是安全的,没有热扩散。并且其实用这个模组做成系统的能量挺高,现在开发更高容量的电池,把系统的能量密度能够提高到170Wh/kg到175Wh/kg之间,在模组层面通过安全测试。并且我们还做过一个比较极端的测试,一个大的系统在里面从外部加热引爆4颗单体电池,但是在不同位置,引爆完了之后,系统当然是安全,甚至于系统还能够工作,车还能够跑起来。我觉得这个是圆柱电池比较突出的优点,因为整体的能量相对比较低,可以有效的去抑制它,带来非常高安全的一种体验。这是为什么我们会继续坚定不移去开发圆柱电池,目前来讲我们也可以从客户端,尤其国外的客户端看到对圆柱电池的认可,接受程度越来越高,并且提出很高的开发要求。

这是对圆柱的认知,容量越高,循环寿命越低,这是做得简单计算。包括快充能力,如果还用传统结构去做,快充能力也会比较低。所以为了解决这个问题,这是模拟的结果,很简单,提高功率特性、循环寿命和安全性,可以看出明显整个电池电流密度变得非常均匀。这是我们在圆形电池上面的Roadmap,这个下面是给一家超级跑车是独家供货。包括5.1Ah,也是在国际和国内的客户都在积极推进之中。

最后说一下质保的问题,我们也会被车厂问到长质保里程,比如百万公里,这是我们自己做的一个简单分析。跟NEDC续驶里程不同,按照我们的规划,我们用铁锂去做,80万公里,3000次循环,电芯和系统之间有一个折算的系数,其实还是可以做到的。包括用三元,目前来讲做到80万公里问题不大,做到百万公里还有一些工作要去做。

力神根据不同客户的车型和续驶里程选择不同的化学体系去做开发,意味着我们会在产品路线上做一些调整。我们把安全性放在一个非常高的位置上面,应该是首要的考虑,特别对于三元材料。目前,重点是在解决中镍的问题,高镍目前是看到没有特别有效的在电芯层面的解决方案,所以我们还是坚持走圆柱电池这么一条路线跟客户一起合作,在模组和系统层面上去解决它。百万公里,通过技术进步,我们觉得完全可以实现。

整体上来讲,力神会在这个市场里面,对于方形、圆形、软包,给不同的用户提供丰富的解决方案。谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

Tags: 电池,周江,高安全

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