在當前電池技術日趨同質化的階段,已經很難看到令人眼前一亮的方案了,尤其是膠粘技術的大范圍使用,在推進系統技術快速迭代的過程中似乎漸成一種桎梏,約束了對下一代電池技術的創新思考。
因此,當看到一款電池包,它沒有遵循這種既有框架,一改對膠的依賴,通過創新的思路,可以做出同等水平的CTP方案時,我們對于下一代電池技術的視野,又重新被打開了!
這就是正力的乾坤電池給人的第一感受。
1、膠粘-已經固化了電池系統的創新
不可否認,膠粘技術在過去的5年內,深刻變革了電池包的集成方式,極大地提高了電池包的集成效率,也極大地改變了整個產業零部件的供應狀態。對于膠的應用,已經從最初的輔料,迅速膨脹為關鍵的材料和零部件。膠的應用領域,功能,以及單包用膠量都大快速地擴大;從最初的幾克,到現在的十幾、幾十公斤,從功能簡單的結構和密封,到現在的多功能性,是過去幾年內電池系統技術進步的重要推動因素之一。
圖.膠粘劑在動力電池中的發展歷程
但是膠粘劑大范圍使用所帶來的弊端也很明顯,首要的就是使電池包的可拆性、維修性變得極差。一旦電池包發生問題,基本都是需要直接更換整包,即使在生產制造的過程中需要返工,也是耗時費力;再就是回收利用時,整包的拆解、電芯的拆卸,都是極為困難,而且容易破壞到電芯,難以在電芯層級再利用,只能走直接原材料回收的思路。
另一方面,從當前各家的技術狀態和開發路線來看,膠粘技術已經主導了企業對電池集成方案的應用,行業上下目前對于非膠粘技術集成的創新在無形中被極大抑制了,很難跳出膠粘技術的框架,以嶄新的視角來看未來電池技術的發展。
2、乾坤電池的關鍵技術創新
破除和擺脫膠粘技術的關鍵就在于如何解決在沒有(或少量或間接形態)縱橫梁和緊固件的條件下,實現電芯的固定。
乾坤電池通過借鑒我國傳統建筑技術-榫卯結構,構建了基于榫卯卡接技術的固定方案。這個技術帶來的的本質變化是從之前單一依靠外力(如膠或緊固件)來實現電芯的固定,轉向主要依靠電芯自身結構與外界來實現固定。電芯在下箱體上的裝配與固定,可以像軌道槽一樣配合。
圖.乾坤電池榫卯卡接技術示意
乾坤電池的榫卯結構技術,挑戰在于兩點:一是電芯本身由于極柱結構變化帶來的設計變更,產線調整;二是在系統集成后,整個榫卯結構在實際應用時的結構可靠性,這點是我們后續要著力觀察和跟進的。
榫卯卡接技術很好地解決了當前膠粘方案所面臨的問題,通過這種極柱卡接的方案,能夠實現無結構膠設計,可以實現全生命周期內單電芯可拆卸,在系統高集成度與便捷維護之間取得更好平衡效果。
除了榫卯卡接技術,乾坤電池還有以下幾點也值得我們深入研究下:
圖.乾坤電池整體性能參數
(1)關于乾坤電池的整體性能,基于正力330Wh/kg的電芯,它的系統質量密度能夠做到260Wh/kg;體積比能由于極柱卡接的存在會稍低,能夠達到70%左右。整包帶電量基于目前的方案,可達到120kWh以上,整包在Z向空間上的利用在110-140mm之間。
(2)極柱散熱,乾坤電池采用的是電芯頂面和底部兩個面進行散熱,其中電芯頂面又是采用的對極柱直接散熱。我們知道,采用卷繞形式的方形電芯,從散熱率上來看,頂部和底部這種Z向的散熱率是高于水平方向上的大面冷卻的,但是散熱面積上小于大面。因此,至于是選擇Z向的冷卻還是大面的冷卻,要看每家不同的設計,最終比較出哪種冷卻效果好。不過,由于在大功率充放電時,極柱的發熱量是較大的,所以這里對極柱直接進行散熱,效果會相對好些,總體能夠提升58%的冷卻效率。
這里可以看出,電芯極柱、以及與之配套的榫卯卡接結構技術是極有挑戰性的,因為在這個配合面上,它功能的集成,要同時滿足電連接、結構固定、冷卻這三個重要特性,安全可靠性是難點所在。
圖.乾坤電池榫卯結構配合面示意圖
(3)冷板與上蓋、下箱體分別集成,這樣在保證冷卻效果的同時,能夠最大限度的降低對Z向空間的占用,同時也進一步提高輕量化。
圖. 乾坤電池冷板的上下集成
(4)熱電分離技術,這個是近兩年的一個趨勢方案了,乾坤電池整包采用的是電芯倒置,電芯本身則是極柱與防爆閥在異側。由于防爆閥仍然朝上,所以乾坤電池在防爆閥上方設計了一個排泄通道,可以快速將熱失控的排放導出去。
(5)超級快充,這個是整體技術方案帶來的效果,包擴電芯本身、極柱冷卻、上下雙重冷卻,最大可以實現6C的快充速度。
圖.乾坤電池6C快充
3、正力新能的「3•2•1」研發戰略
乾坤電池是正力新能在5月9號的發布會上亮相的產品,是他們「3•2•1」研發戰略中關鍵一環。
圖.正力新能「3·2·1」研發戰略圖譜
這里的“3”指的是三種電芯材料體系,分別為:超高鎳多元材料、復合型磷酸鹽材料、新型堿金屬材料(主要是鈉離子材料、鉀離子材料);
“2”是指兩種結構形式,正力新能選擇的是方形和大圓柱路線,大圓柱包括46系列和66系列,從當前的信息來看,46系列的電芯,從成本上可能依舊沒有方形電芯有優勢,需要進一步做大,這應該是正力新能推66系列大圓柱的一個初衷;
“1”是指一種電池系統即乾坤電池,可以覆蓋在動力上的應用和儲能上的應用。
正力新能此次的發布會,除了乾坤電池,在電芯上它的航空電芯(320Wh/kg,12C)和儲能電芯(314Ah,12000循環壽命)也極有特色,如有更多信息我們后續再跟進下。
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