能量密度是動(dòng)力電池最關(guān)鍵的核心指標(biāo)之一，從很大程度上來講，整車在同等質(zhì)量下動(dòng)力電池的系統(tǒng)能量密度越高，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程則越長。近年來，隨著鋰電池技術(shù)研發(fā)的不斷深入，動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度在逐年提升。特別是龍頭企業(yè)，在電池系統(tǒng)能量密度提升方面爭奇斗艷，“八仙過海，各顯神通”。
能量密度提升空間巨大
“動(dòng)力電池在能量密度上有非常大的發(fā)展空間，潛力無限，值得大家發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，共同去研究，為未來出行提供更強(qiáng)動(dòng)力。”蜂巢能源科技有限公司總經(jīng)理?xiàng)罴t新表示，能量密度足夠高時(shí)電池體積可以大幅縮小，甚至能縮小到只占電動(dòng)汽車底盤中間通道位置，而且?guī)缀跖鲎膊坏?，安全系?shù)也有提高。
從數(shù)據(jù)來看，工信部公布的《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》（2020年第5批），純電動(dòng)乘用車車型的電池系統(tǒng)量密度大幅提升，電池系統(tǒng)能量密度在160Wh/kg及以上的車型已占據(jù)半壁江山。其中，SKI為北汽高端品牌極狐配套的ARCFOX α-T，其系統(tǒng)能量密度已經(jīng)高達(dá)194.12Wh/kg。
實(shí)際上，2019年動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度呈現(xiàn)明顯增長趨勢(shì)，市場(chǎng)上已批量應(yīng)用的三元電池和磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度最高分別可達(dá) 182.44Wh/kg和144.9Wh/kg，較2018年同比增長10.3%和2.3%。在國家財(cái)政補(bǔ)貼政策和市場(chǎng)的雙重作用下，2019年140Wh/kg及以上車型已成為市場(chǎng)絕對(duì)主體，140(含)-160Wh/kg和160Wh/kg以上車型產(chǎn)量占純電動(dòng)乘用車總產(chǎn)量的比例分別為63.1%和29.1%。
電池包系統(tǒng)層級(jí)創(chuàng)新優(yōu)化
當(dāng)然，提高電池能量密度方式有很多種，材料優(yōu)化是主要途徑。例如近年來在乘用車領(lǐng)域，傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰市場(chǎng)份額逐漸被三元所蠶食；而在三元領(lǐng)域，越來越多的動(dòng)力電池廠商從NCM111和NCM532向更高鎳的NCM811和NCA材料進(jìn)發(fā)。除了通過改善電池材料性能，以提升電池的單體能量密度以外，電池包系統(tǒng)層級(jí)的創(chuàng)新優(yōu)化也是一種提高能量密度的有效方法。
今年5月，江淮全新電動(dòng)轎車江淮iC5正式上市，采用了NCA（鎳鈷鋁）21700圓柱電池單體，相比于廣汽Aion S和幾何A搭載的NCM 811電池，NCA電池的能量密度更高。而最大的亮點(diǎn)，江淮iC5的電池組采用了“蜂窩”結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)，采用全新的UE（Unitized Encapsulation）外延包覆模組技術(shù)進(jìn)行單元化封裝?！胺涓C”結(jié)構(gòu)的電芯尺寸小，模組結(jié)構(gòu)靈活，可以充分利用電池包不規(guī)則空間，獲得最大電池包能量，實(shí)現(xiàn)了530km的超長續(xù)航。
眾所周知，目前市面上常見的電池包（pack）很多基于小模組+電池包內(nèi)各種固定件、支撐件得來，過多的結(jié)構(gòu)組件占據(jù)了相當(dāng)多的體積和質(zhì)量，所以整體集成效率大大降低。而簡化電池包上的裝配支撐結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)電池包結(jié)構(gòu)明顯簡化，甚至形成近似于電芯-電池包的兩級(jí)集成方案，也成為不少企業(yè)傾向選擇的技術(shù)方向。
在電池包的集成簡化方面，寧德時(shí)代的CTP和比亞迪的“刀片電池”最受矚目。2019年9月，在德國法蘭克福國際車展上，寧德時(shí)代推出了全新的CTP方案（Cell To Pack），改變了原有的“電芯-模組-電池包”結(jié)構(gòu)，電芯直接集成到電池包里。同月，寧德時(shí)代和北汽新能源舉行了全球首款CTP發(fā)布儀式，北汽EU5將成為首款搭載該電池的車型。
寧德時(shí)代CTP技術(shù)路線，其核心是減少了模組數(shù)量，直接由多個(gè)大容量電芯組成標(biāo)準(zhǔn)化電池包，再靈活堆疊組成更大的電池模塊，適應(yīng)不同款車型的配套需要。根據(jù)寧德時(shí)代公布的資料，相比于傳統(tǒng)電池包，CTP 可以使空間利用率提升15%-20%，零件數(shù)量減少40%，能量密度提升 10%-15%。
與寧德時(shí)代CTP“針鋒相對(duì)”的，比亞迪推出了“刀片電池”，該方案更加適用于磷酸鐵鋰電池。“刀片電池”單體向大容量進(jìn)化，電芯形狀更加扁平、窄小，單體最大穩(wěn)定長度可以達(dá)到2100mm。多個(gè)“刀片”捆扎形成電池包模塊，通過少數(shù)幾個(gè)大模組組合成電池模塊。相較傳統(tǒng)電池包，“刀片電池”的體積能量密度提升了50%以上。
“刀片電池”通過設(shè)計(jì)電池的長度和寬度，可在一定體積下使電芯合理的扁長化，一方面利于在動(dòng)力電池包內(nèi)的整體排布，從而提高動(dòng)力電池包的空間利用率、擴(kuò)大動(dòng)力電池包的能量密度；另一方面能夠保證電芯具有足夠大的散熱面積，能夠及時(shí)將內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至外部，防止熱量在內(nèi)聚集，從而匹配較高的能量密度。
實(shí)際上，不管是比亞迪的“刀片電池”，還是寧德時(shí)代的CTP技術(shù)，本質(zhì)都是通過“無模組”來提升能量密度。兩種技術(shù)狀態(tài)在減少模組結(jié)構(gòu)、提升封裝效率上可以說是殊途同歸，大幅減少單體連接線束以及相關(guān)的流程工藝成本，大幅度提高成組效率及系統(tǒng)能量密度。
而作為國內(nèi)動(dòng)力電池“老三”，國軒高科也在電池包優(yōu)化方面暗暗發(fā)力。今年3月，國軒高科工程研究總院院長蔡毅透露，國軒高科正尋求在模組層級(jí)提高LFP（磷酸鐵鋰）電池的能量密度，并擴(kuò)大其適用范圍。國軒高科在模組層級(jí)提高LFP電池的能量密度，勢(shì)必也將帶動(dòng)電池包能量密度的提升，有望使得其系統(tǒng)能量密度從目前的160Wh/kg再上新臺(tái)階。
“把電芯直接集成到電池包，省去電池模組，在技術(shù)角度并不難，確實(shí)能夠起到優(yōu)化空間利用率，并提升能量密度的效果，去掉模組是當(dāng)前動(dòng)力電池能量密度提升的有效路徑之一?！蹦硺I(yè)內(nèi)人士談到。
據(jù)了解，在大幅提升系統(tǒng)質(zhì)量能量密度以及體積能量密度的同時(shí)，去模組、少模組也使電池包復(fù)雜度大幅下降，由此也帶來了更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性和更低的故障率。
電池包的成組考驗(yàn)的是電池研發(fā)人員對(duì)單體電芯和模組排兵布陣的能力，需要以安全性為前提，最大程度地利用每一寸空間。隨著動(dòng)力電池龍頭們紛紛從系統(tǒng)層級(jí)尋求能量密度的突破，電池包大模組、無模組時(shí)代或?qū)⒌絹怼?
撰稿：馬云騰
來源：電池中國
