杨红新：叠片工艺+无钴技术是动力电池未来趋势
时间:2020-08-13 16:33来源:腾讯汽车 作者:综合报道
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8月11-13日，以“冬芽“为主题的第12届中国汽车蓝皮书论坛在武汉举行。为期3天的会议期间，众多重量级汽车行业人士围绕着23个讨论议题进行演讲与对话。
在他看来，钴的储量小且集中，只有710万吨并把控有限的几家制造生产，特别容易被操控。“钴这个问题不消除，不符合未来电动汽车发展的趋势。”
同时无钴内阻偏高，“如果把叠片技术用上，可以再降低它5%的内阻，所以叠片加无钴这两种技术的结合，既可以发挥无钴的优势，又能解决无钴的痛点。”
“叠片和无钴，一个是工艺制造角度，一个是材料成本和安全性角度，这是基础性的未来趋势，可以满足对成本，对效率、对功率、对寿命各方面的要求。”明年6月份，蜂巢能源将会把无钴电芯推向市场，并进行装车销售。
最后他指出，电池企业和整车企业对于电池机理的了解仍然比较肤浅。“电芯到底为什么突然会自燃？为什么会突然热失控？机理是什么？我们现在都没有办法完全弄清楚。”
以下为演讲部分实录：
大家下午好，我是蜂巢能源的杨红新，其实上一场殷总主持得特别好，成功让充电和换电两组人怼起来，我是特别想参与上一场的讨论。因为我原来是在整车厂工作了十几年，近几年是在电池厂工作，所以我也有我的一些想法。
不管是充电还是换电，前提都是车电分离是最重要的，只要车电分离做到了，其实对电池企业都是最大的受益者。因为车电分离以后，消费者购车成本降低了，电动车卖得多了，要建换电站，除了车上的电池，换电站也要储备很多的电池，所以对电池企业是一个利好。
另外一点，刚才提到的标准化问题。我们电池企业也特别关注电动汽车电池的标准化，这个事情短时间肯定很难实现，但是长期看是有机会实现的，取决于电池的体积能量密度到底做到什么样的水平。
接下来我参与的主题是动力电池格局和技术路线的演化。
刚才提到的电池标准化，其实就是未来一个非常重要的技术路线的演化趋势。大家知道12V的铅酸电池，基本都已经通用化，不管是大众、奥迪还是国产车，都可以用同样的12V铅酸电池。
但是锂电池太大了，它严重地挤压了整车的轴距、轮距和高度，所以很难做到标准化。如果体积能量密度提高一倍，我们把整个电池包的宽度缩短一半，把它集中在车辆的中通道的位置，这个时候是可以做到标准化的。靠什么来实现？肯定是靠从化学体系到结构设计不断的创新来实现的。
今天，我们想说的是动力电池未来的格局，核心的路线到底是什么？其实走什么技术路线，取决于客户的需求是什么，取决于整车厂的需求是什么。
客户跟整车厂到底需要什么呢？大家在新闻上经常听到自燃问题，所以安全肯定需要，大家说一次购车成本高，所以成本很重要。大家说现在电池太重，体积太大，所以能量密度也很重要。还有循环寿命，有人想用20年，寿命很重要，有人想快充，功率也很重要，放电功率也很重要，这些都是客户和整车企业的需求。
那我们做哪一点，不做哪一点，整车厂来说都想要，但是对电池厂来说很难，因为这里面很多指标是相矛盾的。
我们不可能在今天，把安全、寿命、功率每一个拎出来单说。未来的趋势会变成什么样？我是希望站在最基础的角度做一些分析，哪些基础技术可以同时实现多个未来客户跟整车厂的需求，尽量满足多样化的需求。
那么我选择的主题是叠片跟无钴，也是有它的原因的，刚才讲充电的时候也提到了一个，现在电动车的销售对象，主要还是B端的多，今年开始C端的多了，什么时候电动车开始真正的普及？
一定是大量私家车主成为购车主力，占到90%以上，就像现在的燃油车一样。那么什么时候才能够实现，以及要做什么工作？成本是非常大的一个障碍，也是非常关键的一个诉求。
这里面有一个测算公式，是成本回收期的计算，我们把它分成A00、A0、A、B、C不同级别的车，不同级别的车电池价格是不一样的。
不同电池的价格，从纵坐标来看，成本回收期也是不一样的，这里面考虑了很多价差和用车成本的因素在里面。那么市场上将来最主流的电动车，其实应该和燃油车一样，是A级车应该占到绝大部分的市场销量，是最主流的车型。
我们看A级车，实现跟燃油车对等，以及满足客户期望的成本回收期，经过测算是3.4年。什么时候能够实现，保守的测算是2025年。2025年电池的成本可以支持A级主流家用车，在3.4年之内，跟燃油车对比回收回来，就可以达到一个大规模普及程度，这是一个比较新的维度的思考。它不仅仅单纯的考虑是初始构成成本，考虑了非常多的因素。
成本既然这么关键，影响到我们什么时候实现电动车的普及，我们希望2023年更早的普及才好，这样我们的电池还可以多卖一些。
那么怎么降成本？我们回顾历史，其实各方面都在降，材料在降，设备价格在降，制造成本在降，设计工艺产生的结构性的成本也在降，都在降。
但是，其实这里面有很多数据，降幅最大的还是四大主材，四大主材类里降幅最大的还是正极，降幅是非常高的。
我们说生产效率，一次成本投入非常大，建一个电池厂的投资比建一个汽车厂还要大。但是如果分摊到5年折旧，10年折旧里面，再分摊到每瓦时的电芯成本里面，设备占成本比是比较低的，几分钱，但是材料占比是最大的，影响也是最大的。
所以我们的关注焦点，还是要放在主材上。当然技术进步，我们CTP的技术，以及我们长电芯的开发，进一步提高密度，都可以进一步降低成本。
CTP最近比较火，但是我认为它更主要的作用是可以提高安全性。因为我把模组的端板、侧板取消以后，可以释放出大量的空间，这些空间可以用于增大电芯的间隙，就有机会实现一个电芯热失控，相邻电芯不产生热失控这样的一个目标，这样的目标实际上已经成为国际跟国内的最主要的目标。
所以CTP不仅可以降成本，还可以提高我们的安全性。这也是汽车行业，电池行业在积极努力创新的地方。
我们提到正极材料，就不得不提到对正极材影响最大的是什么。现在除了磷酸铁锂以外，最大的材料供应体系还是三元锂电池，如镍钴锰、镍钴锂，当然镍占比很高，811电池中镍占80%左右的，但是镍在全球的金属比例当中，用在锂电池上占比是小的。
钴是不一样的，手机用的是钴酸锂，用钴量非常大，所以钴对正离子材料成本影响是非常大的。
我做过锂电池很多年，下面坐着做电池的前辈，大家可能都知道，2008和2018年，10年中出现了两次钴价的剧烈波动，从10元左右涨到40多元，还买不到。
如果电动汽车将来要做到一年一千万辆，一年两千万辆，这种大工业连续制造的商品，是不允许出现这样的供应链问题的。汽车企业讲供应链安全，它是绝对不允许出现的。这种情况是严重的会制约电动汽车的普及的。
那么这张图是我们公司画的，其实整个行业也差不多。这张图有一个特点，越向上的能量密度越高。另外一个特点是，不管是铁锂、无钴、磷酸铁锂、四元、三元、固态，在能量密度提高的同时，钴的含量都在想办法向下降。从最早的111到523，到6系7系8系，现在NCMA和NCL做到9系的，镍的含量一直在上升，钴的含量一直在下降，人类在追求去钴化和无钴化上的努力，一直在做各种各样的功课，从来没有停止过。
在能量密度提升的同时，它的价值是巨大的，它可以释放大量的车内空间。我们知道有的电动汽车为了把电池塞进去，坐到后排以后，就像坐小板凳一样，腿是非常难受的，躯干角非常不合理。
如果我们能量密度提高了，电池可以做矮做窄，又可以实现标准化，这绝对是未来永远追求和努力的方向，就是提高能量密度。
但是路线确实不一样，也会分场景进行应用。磷酸铁锂有它的场景，无钴有它的场景，811有它的场景，场景不同，但是在去钴这条路上是相同的。我这里面写的无钴指的是高能量密度电池的无钴，磷酸铁锂也没有钴，但是它是低能量密度电池的无钴，我们后面说的无钴电池都是指的高能量密度的。
那么前面讲到的是材料，我们再讲讲工艺，工艺现在软包电池公司都是叠片的，其他的大部分都是卷绕的，其实各有优劣势，不是谁对谁错，但是我们还是要看未来，未来客户到底需要什么。
回到刚开始说到的话题，客户需要的是长寿命的，客户需要的是越小越好的，客户需要的是功率性特别好的。就是所有不合理的要求，合理的要求，他都要你满足。
那么卷绕工艺，在经历这么多年的发展之后，遇到了很大的瓶颈，叠片工艺先天上有很大的优势。比如能量密度的提升，比如稳定性，比如说极耳数量多一倍，工艺性更好，所以叠片工艺是非常有前途的。
尤其是当我们把电池的尺寸越做越大的时候，我们知道最早VDA，后来是590模组电芯，220的，现在比亚迪出的刀片是更长的，574这个尺寸，它和590标准模组可以兼容，这个电芯既可以用无模组在电池包里布置，又可以把它装到590模组里，兼容性非常好。
但是电芯做得越长，其实能量密度越高，成本越低，因为叠片，每叠一个小的片进去，和每叠一个大的片进去，叠的活性物质的量是不一样的，所以越大，生产能量的效率就越高。
同时，越薄的电芯，散热性更好，做针刺的话，容易通过。那么叠片是最适合电池的工艺的。
当然还有极耳数量增加了一倍，它的内阻可以增加10%，功率也可以得到提升。还有能量密度，空隙都可以填满，还有界面是非常良好的，卷绕不会出现左边的S变形，包括边缘位置的断裂产生的纹路，所以从安全性能上来讲，叠片也是非常好的。
另外就是膨胀，它初始膨胀力和中器后期膨胀率率卷绕的，所以对模组的压力也会更小，也会提高安全性。
叠片和无钴，一个是工艺制造角度，一个是材料成本和安全性角度，是基础性的未来趋势，可以满足对成本，对效率、对功率、对寿命各方面的要求。
钴这个产品，确实是非常非常重要的，每年都有人会起诉苹果公司，会起诉特斯拉，说他们使用的钴来源不干净，这也成为整个行业非常痛的和不可回避的问题。
钴的储量这么小，只有710万吨，而且还特别集中，只有几家公司可以制造生产，特别容易被操控。电动车单车用量又非常大，Model S已经用了9系高镍电池了，但是单车用量还要消耗掉13.68公斤的钴，所以钴这个问题不消除，肯定是不符合未来电动汽车发展的趋势。
大家都知道要去掉钴，或者把钴减少，但是技术的挑战确实是非常多的。其实没有钴的，高能量密度的电池的理论，在20年前日本的学者就提出来过，但是这么多年来，要不就是大家投入精力少，要么就是技术没有做得很好，没有解决锂镍混排的问题。如果8%-10%锂镍混排不能解决的话，产品稳定性、倍率性都是非常差的。
解决方案有很多种，经过很长时间的摸索，包括我们也做了很多年的摸索，从增加镍的含量，包括一些技术等等，来提高它的稳定性。总体来讲就是提高阳离子模式掺杂、单晶，太专业的就不在这里讲了。
从测试数据来看，新鲜的电池，就是刚刚生产的电池的镍混排可以控制在3.5%左右，是非常低的。
那么循环到后期的电池，锂镍混排控制在小于5%以内，是很好的解决了前面提到的锂镍混排的问题，同时金属溶出这个问题，也是无钴电池必须要解决的。
从右边的这个图上来看，跟811对比，我们的镍、锰的溶出率都小于811的材料，所以循环寿命和稳定性都是非常好的。而且我们做了2吨电池的测试，已经量化了。
从产品上来看，无钴材料、无钴电池一定要是高能量密度的才可以，如果能量密度过低就是磷酸铁锂，没有价值了。它的能量密度一定要接近811的水平，同时是安全的，比7系的三元更安全，循环寿命好，成本还要低。
还是回到刚开始说的，客户什么都想要，我们就做一个什么都能满足他的要求的产品。从实际数据来看，这些目标都已经满足了。
这是我们的动力性的测试，唯一一个还有问题，就是第一张图，20%的SOC下，就是DSOC下的功率性能是偏弱的，因为没有钴以后，它的内阻在低温下会偏高。
我们也在做解决方案，在测试。其他的功率性能都是挺好的，包括零下30摄氏度的低温性能，还可以支持70%的续航，包括零下20摄氏度的低温充电，界面保持得非常好。
还有高温循环寿命，可以超过1200次，常温循环寿命1C1C，我们100%可以超过2500次，811只能做到1500次。
针刺我们做的不是刺穿的，是按照欧洲客户要求做的浅刺，欧洲客户要求，刺穿三层电极，只要不起火，不爆炸就算可以，我们刺穿了六层，右边的图片来看都是非常好的。
还有150度的热箱，高能性能也是高镍材料最害怕的，我们也顺利的通过了150度热箱的测试，还有140%的SOP的过充，还有外部短路，包括一些其他的测试数据。
以上讲的是无钴材料的进展，大家都说无钴材料这么难，真的可以量产吗？现在可以负责任地告诉大家，肯定可以，明年6月份我们就会把无钴的电芯推向市场，装车，装到车上销售。
那么无钴还有一个问题，就是它的内阻是偏高的，如果把叠片技术用上，可以再降低它5%的内阻，所以叠片加无钴，这两种技术的结合，既可以发挥无钴的优势，又能解决无钴的痛点。
那么我们在把它做成长电芯，做成薄电芯，L6的长电芯，大概将近600毫米长，做成右边的无模组的LCTP的Pack，我们叫矩阵式Pack，一个电池包里放两台电芯，没有模组。它的能量密度，比传统的设计提高了9%，空间利用率提高了17%，电量提升了24%。
长城一款采用这种布置形式，无钴、无模组的电池可以做到880公里续航，同时也可以做成有模组的，就是装到MED590的模组也可以，兼容性非常好。
以上就是我关于对未来电池技术路线的一些分享，不管怎么样，安全、寿命、能量密度各方面的追求，都是没有止境的。
现在我们电池企业，整车企业，对于电池机理的了解还是非常肤浅的，电芯到底为什么突然会自燃？为什么会突然热失控？机理是什么？我们现在都没有办法完全弄清楚，
当然我们有比较初步的认识，但是还没有做到研究透，如果真的研究透了，缺陷就可以避免掉。
所以我们现在也在做一些研究工作，就是在极低的温度下，零下160摄氏度，用液氮冷冻热失控的步骤，在电芯刚刚产生内短路和产生的初期和后期，把它冻住，然后瞬间把它静止，看它的界面，看它的机理等等，这只是其中的一个研究。
目前我们对电芯这个行业的研究，还需要不断地努力和提升。未来的方向，我们希望通过蜂巢能源，通过孚能、力神，我们共同努力，把满足客户的动力电池的技术，不断推向前进，不断满足客户的需求，我的分享就到这里。谢谢大家！
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