“最江蘇”導(dǎo)讀

蜂巢能源：

攻克無鈷動力電池研制難題

樹立行業(yè)“芯”標桿

汽車電動化浪潮下，動力電池產(chǎn)業(yè)正走向車規(guī)級動力應(yīng)用的3.0時代，對電芯工藝、電池材料、安全性能要求更高。

位于江蘇常州金壇區(qū)的蜂巢能源科技有限公司（以下簡稱“蜂巢能源”），聚焦“新工藝、新材料、新標準”，勇闖動力電池行業(yè)“無人區(qū)”，樹立全球動力電池行業(yè)“芯”標桿。

車用動力電池單體電容量、串并聯(lián)數(shù)遠超傳統(tǒng)電池，加之汽車工況復(fù)雜、應(yīng)用場景千變?nèi)f化，對電池的續(xù)航、安全穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、制造工藝等要求比傳統(tǒng)電池更嚴苛。目前，車用動力電池在電芯工藝、電極材料及安全標準等方面亟待革新。

電芯工藝需平衡效率與安全。電芯是電池系統(tǒng)的最小單元，其制造工藝分為卷繞式與疊片式。目前卷繞工藝電芯占據(jù)市場主導(dǎo)地位，但存在安全隱患和充放電不足問題,疊片工藝安全性與循環(huán)使用壽命較高，但生產(chǎn)效率低、較難產(chǎn)業(yè)化，不能滿足車規(guī)級動力電芯的要求。

電極材料受制約。“鈷”是電池正極材料的重要組成元素。據(jù)USGS 2019年統(tǒng)計，全球鈷資源存儲量僅688萬噸，集中分布于剛果（金）、澳大利亞、古巴等國家，而我國鈷資源主要依靠進口，價格波動大且成本高。因此，降低鈷含量能提高動力電池企業(yè)原材料選擇權(quán)與議價能力，或?qū)⒅亟ㄉ舷掠卧捳Z，進而重塑動力電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

車軌級標準尚未建立。車用動力電池的耐用性、一致性、安全性和充放電性能指標遠高于消費類電池。然而，目前國內(nèi)外車規(guī)級動力電池缺乏統(tǒng)一的技術(shù)與安全標準，難以保障動力電池的設(shè)計、制造、裝配等環(huán)節(jié)的一致性與可靠性，容易造成各種新的安全問題疊加。

受上述因素制約，一直以來，動力電池的安全性、續(xù)航里程和使用壽命都是橫亙在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的三座大山。

前身是長城汽車的動力電池事業(yè)部的蜂巢能源，為應(yīng)對動力電池多變格局，率先將正極材料鈷含量降至“0”，建造了全球首家在方形鋁殼電芯上采用“高速疊片工藝”的車規(guī)級動力電池AI（常州金壇）工廠，全方位優(yōu)化動力電池能量密度、循環(huán)壽命、安全、成本等性能。

傳統(tǒng)卷繞工藝性能與疊片工藝生產(chǎn)效率低、正極材料鈷資源稀缺且價格波動大、普通工廠自動化制造水平低等情況，成為動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“攔路虎”。蜂巢能源敢闖敢試，多維度優(yōu)化動力電池性能，跑出行業(yè)“新工藝、新材料、新標準”革新加速度。

——創(chuàng)新“Z型”高速疊片工藝，全球首推高速疊片方形電池

從3C級應(yīng)用的1.0時代、普通動力應(yīng)用的2.0時代，到現(xiàn)在車規(guī)級動力應(yīng)用的3.0時代，各階段電芯形態(tài)與主流廠商制造工藝隨之變化。

方形疊片電池與卷繞電池主要流程差異在于分切、模切和極組成型三大工序。卷繞工藝正負極片是連續(xù)狀，疊片工藝正負極片是片狀；卷繞工藝在檢測到極片上的mark孔時，在mark孔位置裁斷，完成一個極組的卷繞，而疊片電芯按照正負極片設(shè)定數(shù)量進行疊片，完成一個電芯的疊片；成型的極組存在形態(tài)差異，卷繞工藝的極組在層數(shù)相同的情況下，極耳的數(shù)量比疊片電池多一倍。

電池1.0時代和2.0時代以卷繞工藝為主，在電池3.0時代，新能源汽車電池包設(shè)計向著長度更長的方向發(fā)展，高度方向則統(tǒng)一在100mm左右，因此疊片工藝生產(chǎn)的電芯將得到廣泛應(yīng)用。

研究表明，相較于卷繞工藝電芯，疊片工藝電芯可以使電池的能量密度提高5%，循環(huán)壽命提升10%至20%，成本降低5%，在制造大尺寸、大容量動力電池方面優(yōu)勢凸顯。然而，受制于設(shè)備生產(chǎn)效率，疊片工藝難以大規(guī)模應(yīng)用。

為此，蜂巢能源聘請國內(nèi)外資深疊片設(shè)備與工藝專家重點攻關(guān)，創(chuàng)新采用“Z型”高速疊片工藝，突破了疊片設(shè)備生產(chǎn)效率瓶頸，并進入量產(chǎn)階段。

蜂巢能源已開發(fā)與導(dǎo)入行業(yè)首例45度旋轉(zhuǎn)式高速疊片，疊片效率達0.6秒/片/單工位，超出行業(yè)傳統(tǒng)疊片設(shè)備單工位效率的40%，到2020年產(chǎn)能可實現(xiàn)4GWh。目前，蜂巢能源已開發(fā)制作完0.45s/pcs/單工位疊片速度驗證與樣機，2023年預(yù)計可開發(fā)出0.25s/pcs/單工位疊片設(shè)備。

據(jù)悉，蜂巢能源于2019年4月率先發(fā)布首款高速方形疊片電池，領(lǐng)先主流廠商提前進入“疊時代”。“方形疊片電池將是未來動力電池的主要方向?！狈涑材茉纯偛脳罴t新說。

——攻關(guān)正極材料“卡脖子”技術(shù)，樹立行業(yè)無鈷“芯”標桿

作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的中游環(huán)節(jié)，動力電池產(chǎn)業(yè)遭受上下游兩端擠壓。一方面，上游原材料價格上漲帶來成本提升；另一方面，新能源汽車補貼退坡壓力向中游轉(zhuǎn)移。

在保障動力電池安全可靠前提下，不少動力電池企業(yè)將降低鈷元素含量作為保持產(chǎn)品成本優(yōu)勢、提升市場競爭力的重要手段，“低鈷”甚至“去鈷”成為業(yè)內(nèi)不懈努力的方向。

近年來，國內(nèi)動力電池企業(yè)瞄準降低鈷含量的技術(shù)路線，持續(xù)研發(fā)與突破。鈷含量從最早鈷酸鋰中的59%、三元NCM523中的12%到新一代三元NCM811中的7%以內(nèi)……從技術(shù)發(fā)展趨勢可見，鈷含量逐漸降低。

如今，蜂巢能源從三元NCM（鎳鈷錳）中真正拿掉鈷的二元鎳錳酸鋰（NMx），正式對外發(fā)布“無鈷電池”A樣產(chǎn)品，戰(zhàn)略性擺脫正極材料對“鈷”材料的依賴。

在“去鈷”道路上，業(yè)界大多朝著“高鎳去鈷”方向努力。然而，提高鎳含量會造成材料熱穩(wěn)定性下降、安全風險加大，同時高鎳條件下產(chǎn)氣釋氧，與電解液反應(yīng)，影響電池循環(huán)性能。

為此，蜂巢能源轉(zhuǎn)變電化學(xué)體系材料配比方向?！鞍焰嚭拷档?，在鎳7系和8系中間，即用中高鎳體系來做無鈷材料”，蜂巢能源無鈷材料研發(fā)負責人說，“真正推動‘無鈷電池’落地并滿足整車應(yīng)用場景需求的關(guān)鍵是陽離子摻雜技術(shù)、單晶技術(shù)、納米網(wǎng)絡(luò)化包覆技術(shù)”。

研究發(fā)現(xiàn)，陽離子摻雜技術(shù)能大幅改善材料穩(wěn)定性，可在4.3-4.35V電壓下穩(wěn)定工作，能量密度比磷酸鐵鋰提高40%；單晶技術(shù)可改善電池安全性和壽命；納米網(wǎng)絡(luò)包覆技術(shù)可改善高電壓下的材料循環(huán)性能。

對比目前主流的三元電池、磷酸鐵鋰電池，蜂巢能源的“無鈷電池”在能量密度、循環(huán)壽命、安全、成本等各項性能上超越其他產(chǎn)品。2020年5月，蜂巢能源發(fā)布了兩款A(yù)樣“無鈷電芯”，具有長續(xù)航（可實現(xiàn)880km續(xù)航）和長壽命特點。目前蜂巢能源正在生產(chǎn)測試、調(diào)試、優(yōu)化B樣產(chǎn)品，基于此進行電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)工作。

“B樣之后，蜂巢能源還要做C樣以及配套整車的開發(fā)和驗證流程”，蜂巢能源無鈷電池研發(fā)負責人說，“無鈷電池技術(shù)從開發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化，產(chǎn)品從A樣、B樣以及搭載到整車上驗證，夏季、冬季標定都需要一定周期，因此明年6月產(chǎn)品將正式推向市場”。

未來，蜂巢能源將基于第一款無鈷材料的技術(shù)沉淀，繼續(xù)從材料端迭代開發(fā)無鈷材料體系，并研制相應(yīng)無鈷產(chǎn)品滿足不同應(yīng)用場景需求。

為夯實車規(guī)級制造標準、保證產(chǎn)品質(zhì)量與安全性，蜂巢能源聯(lián)合歐洲多家車企，深入研究世界主流汽車產(chǎn)品需求標準，系統(tǒng)優(yōu)化并改進電池生產(chǎn)流程和工藝標準，讓“車規(guī)級”從電池制造層面變得可操作執(zhí)行。

“除了車規(guī)級制造，還要有原材料、設(shè)計、安全等一系列車規(guī)級標準，全行業(yè)應(yīng)合力打造中國車規(guī)級動力電池產(chǎn)品的全球領(lǐng)先地位?！狈涑材茉纯偛脳罴t新說。

在車規(guī)級動力電池AI（常州金壇）工廠，生產(chǎn)車間重要工序的環(huán)境潔凈度采用行業(yè)最高標準，全制程控制因子高于傳統(tǒng)工廠1500至2000個；通過智能物聯(lián)配送、追溯與分析系統(tǒng)實現(xiàn)智能管控，庫存降低40%、產(chǎn)品開發(fā)周期縮短30%；通過太陽能發(fā)電、能源回收系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、材料回收技術(shù)實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能……

據(jù)悉，2019年底金壇工廠正式投產(chǎn)，投資超80億元，總產(chǎn)能規(guī)劃18GWh，其中，一期項目規(guī)劃產(chǎn)能4GWh，二期項目規(guī)劃產(chǎn)能8GWh，三期規(guī)劃產(chǎn)能6GWh。

目前，蜂巢能源數(shù)字化架構(gòu)已搭建完成，AI智能工廠平臺1.0BMS、大數(shù)據(jù)互動平臺1.0、儲能大數(shù)據(jù)分析平臺1.0均已實現(xiàn)，正在向2.0邁進。下一步，蜂巢能源將借力新基建，聚焦數(shù)字化工廠、云儲能、企業(yè)運營、BMS大數(shù)據(jù)互動平臺四大模塊，依托大數(shù)據(jù)平臺貫穿上下游生態(tài)鏈，暢通動力電池生產(chǎn)、車輛運行、梯次利用的大數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)貫穿產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、售后服務(wù)的全生命周期管理。(分析師 郭文嘉)