目前全球不少汽車制造商都已宣布，未來幾代汽車將采用具有創(chuàng)新極耳設(shè)計的大圓柱電池。寶馬集團表示，計劃將從2025年起在“新世代”車型中使用46mm標(biāo)準(zhǔn)直徑的大圓柱電池。蔚來、保時捷、江淮、東風(fēng)嵐圖等多家整車廠也均表示旗下車型會搭載4680大圓柱電池，戴姆勒、大眾、小鵬、一汽等也均在考慮使用。
在電池制造商方面，國內(nèi)的寧德時代、億緯鋰能、比克電池、遠(yuǎn)景動力，國外的松下、LG新能源、三星SDI等都已經(jīng)確認(rèn)正在進行4680型圓柱電池的原型開發(fā)。業(yè)內(nèi)研究機構(gòu)指出，預(yù)計未來幾年全球會有更多車企及電池廠將跟進4680電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的趨勢，這或?qū)⒊蔀閳A柱動力電池大規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點。
新年伊始，大圓柱電池賽道就開啟了“超燃模式”，眾玩家頻頻“亮劍”。1月28日，總投資130億元的比克電池常州生產(chǎn)基地項目簽約，將建設(shè)大圓柱電池產(chǎn)線及國際化研發(fā)中心，建成后總產(chǎn)能為30GWh。根據(jù)規(guī)劃，比克未來將在海內(nèi)外擴充80GWh的電池產(chǎn)能。近期，特斯拉則宣布計劃在美國內(nèi)華達州追加投資36億美元，擴建其現(xiàn)有的超級工廠，這其中包括生產(chǎn)4680大圓柱電池，規(guī)劃年產(chǎn)能100GWh。
另外，有媒體報道稱，通用汽車希望在未來的電動車型中從軟包電池轉(zhuǎn)向圓形電池。迄今為止，通用汽車一直使用LG新能源制造的軟包電池，“通用汽車未來很可能會采用特斯拉首創(chuàng)的4680規(guī)格的大圓柱電池，”媒體如此評論說。
未來隨著大圓柱電池良品率提升與成本下降，大圓柱電池裝機量有望提速。比克電池預(yù)測，2025年到2035年在中高端汽車市場上大圓柱電池將會占據(jù)絕對的統(tǒng)領(lǐng)地位。比克電池副總裁樊文光指出，當(dāng)下的動力電池市場方殼、軟包、圓柱三分天下，各方面的性能優(yōu)勢決定了大圓柱動力電池是未來5-10內(nèi)中高端電動汽車的最優(yōu)解。
根據(jù)光大證券的研報預(yù)測，在特斯拉等銷量高企、4680技術(shù)不斷成熟的背景下，預(yù)計2025年全球4680電池裝機量預(yù)計將達264GWh，在全球動力電池裝機量和圓柱電池裝機量中的滲透率分別達到22%和68%。
01 超級“六邊形選手”
從技術(shù)上講，大圓柱電池可以被叫做“六邊形選手”，它各方面的性能是最均衡的。
目前幾種主流形態(tài)中，圓柱電池安全性最高，這主要由于其單體和電池包結(jié)構(gòu)特性，單體最小，有效分散風(fēng)險;單獨外殼保護和獨立泄壓裝置，多重保障;電芯蜂窩狀排列，空隙保障了足夠大的單體與外部熱交換面積;更重要的是,中心對稱的圓形結(jié)構(gòu)可以在全生命周期有效束縛內(nèi)部極片的膨脹，使得電芯外部不發(fā)生任何形變。
“大圓柱的高安全性，使它成為搭載兼顧高能量和超級快充的最佳載體。”有業(yè)內(nèi)人士分析指出。大圓柱電池能夠在保障安全和足夠的續(xù)航里程的同時，進一步提升快充性能，助力電動車使用體驗媲美燃油車。
去年年底，一篇發(fā)表于國際頂級能源類期刊《Journal of Power Sources》的學(xué)術(shù)論文引起了業(yè)內(nèi)關(guān)注，該論文首次采用了真實商業(yè)化的全極耳大圓柱電池，驗證了12分鐘超級快充的可能性，全面展示了開發(fā)成熟的全極耳大圓柱電池的巨大潛力。值得一提的是，這篇文章采用的電芯來自中國制造商，在國內(nèi)率先發(fā)布4680電芯的比克電池。
通過模擬計算和實驗驗證，該論文探究了幾種條件下電芯的最優(yōu)化充電時間和熱管理策略，使得在電芯不發(fā)生析鋰的前提下：20°C環(huán)境下，可在11分53秒內(nèi)將電池電量從10%充到80%;在零下20°C環(huán)境下，可將10%-80%的快充時間優(yōu)化到15分58秒的水平。這些發(fā)現(xiàn)為行業(yè)提供了大圓柱電池快充性能展望：從10%充電狀態(tài)到80%充電狀態(tài)只用不到12分鐘。
探究起來，快充性能的本質(zhì)依然是體系的能量密度，因為更短的充電時間與更高的能量密度可以說是魚與熊掌的關(guān)系，快充性能的提升勢必會對能量密度提出挑戰(zhàn)。而大圓柱電芯的高安全上限，使得它可以支持更高能量密度的化學(xué)體系。例如高鎳三元正極、硅碳負(fù)極等，這些都是在方形和軟包等平行極片結(jié)構(gòu)的電芯上很難實現(xiàn)應(yīng)用的體系。
而在成本方面，大圓柱電池優(yōu)勢也十分明顯。例如，特斯拉4680圓柱電芯的制造成本比2170圓柱電芯成本要低17%左右，生產(chǎn)速度最高可提升7倍。馬斯克希望未來把4680成本降至70美元/kWh，預(yù)計屆時其電池生產(chǎn)成本較目前中國國內(nèi)動力電池的生產(chǎn)成本下降約一半。
02 不同于特斯拉的全極耳技術(shù)
雖然大圓柱電池具備優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景，不過目前全球范圍內(nèi)擁有成熟技術(shù)的企業(yè)并不多，而比克電池是其中的佼佼者之一。據(jù)了解，自2021年初在國內(nèi)率先發(fā)布全極耳大圓柱電池至今，比克在大圓柱電池技術(shù)研發(fā)和市場化推進上持續(xù)領(lǐng)先。與特斯拉的無極耳概念類比，經(jīng)過多年的探索，比克電池形成了獨有的全極耳技術(shù)路線。
比克全極耳技術(shù)通過對結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計，及生產(chǎn)設(shè)備和工裝夾具的配合，實現(xiàn)了比傳統(tǒng)圓柱電芯還要高效的工藝解決方案。經(jīng)測試，采用全極耳的電芯，比同體系傳統(tǒng)單極耳電芯的內(nèi)阻降低了70%以上。這意味著極高的功率輸入(充電)及輸出(放電)，受到了國際客戶的廣泛認(rèn)可。
憑借大圓柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，比克通過搭載高鎳正極、硅負(fù)極、摻硅補鋰等先進技術(shù)，使電池能量密度大大提升，為整車提供800公里以上的續(xù)航里程。比克目前圓柱電池正極鎳含量已由Ni50提升到Ni90，容量持續(xù)提升。同時，比克硅氧材料也由一代硅發(fā)展到三代硅，將首效由77%提升至86%，基本達到與正極效率匹配，并采用了先進的補鋰技術(shù)，正極利用率逐步提升。
據(jù)悉，比克大圓柱目前主要有46系、3x系和26系等系列。其中46系電芯已經(jīng)開始陸續(xù)有樣品批量交付，性能表現(xiàn)符合預(yù)期。目前電芯能量密度在280Wh/kg至330Wh/kg之間。26系則以26105鋁殼電芯為主，目前處于B樣階段，應(yīng)用于整車可達700公里以上續(xù)航，預(yù)計將于2024年量產(chǎn)，屆時能量密度將達290Wh/kg。3x系則處于二者之間，是比克為了進一步綜合優(yōu)化性能、成本、系統(tǒng)設(shè)計等因素開發(fā)的新平臺。
在全極耳技術(shù)、先進化學(xué)體系和電芯設(shè)計能力的加持下，比克即將量產(chǎn)的大圓柱產(chǎn)品，可以實現(xiàn)5分鐘內(nèi)將電量從10%快充至50%，相當(dāng)于200-300Km續(xù)航里程，12分鐘內(nèi)將電量從10%充至80%，相當(dāng)于520公里續(xù)航里程，同時支持高速服務(wù)站等應(yīng)用場景下4C以上充電倍率的超級快充需求，與現(xiàn)在的燃油車加油體驗幾乎一致。這個數(shù)據(jù)在前述學(xué)術(shù)論文中也得到了實驗數(shù)據(jù)的驗證。
而在消費者極為看重的安全性方面，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，比克大圓柱電池可以使電芯實現(xiàn)定向泄壓，保證單體電芯發(fā)生熱失控時，不會蔓延到周圍的電芯產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，保證整包層面的熱安全，從而實現(xiàn)整車層面零熱擴散，保證電池包整體的安全和電池全生命周期品質(zhì)的始終如一。
未來大圓柱電池必定將大顯身手。市場研究機構(gòu)Canalys預(yù)計，2025年全球電動車銷量將突破2000萬輛，對應(yīng)的動力電池需求將超過1600GWh。業(yè)內(nèi)推測，到2025年大圓柱電芯至少占全球動力電池30%以上的市場份額，超過2021年全球動力電池總需求量。
