撰文 / 涂彥平

編輯 / 劉寶華

設(shè)計(jì) / 師玉超

“我國動(dòng)力電池單體能量密度接近300Wh/kg,、系統(tǒng)能量密度超過200Wh/kg?！边@是1月12日,，工信部新聞發(fā)布會(huì)上，工信部裝備工業(yè)一司司長(zhǎng)王衛(wèi)明公布的數(shù)據(jù),。

動(dòng)力電池能量密度逐年爬升,，背后是動(dòng)力電池技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新。

圍繞提高能量密度,、降本增效,、保證安全的核心訴求，動(dòng)力電池的技術(shù)創(chuàng)新有兩大路徑：一是電化學(xué)材料體系的創(chuàng)新,，即在單體電芯材料上進(jìn)行改進(jìn),；二是結(jié)構(gòu)層面的創(chuàng)新，包括電芯封裝,、成組及系統(tǒng)集成等方面的改進(jìn),。

《尋找下一個(gè)寧德時(shí)代，電池材料革命五大突破口》一文主要回顧了動(dòng)力電池在材料層面的創(chuàng)新,，今天這一篇文章將聚焦動(dòng)力電池在結(jié)構(gòu)層面的創(chuàng)新,。

在結(jié)構(gòu)層面，刀片電池,、C2P等創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,，CTC、MTC、JTM,、短刀電池,、積木電池、One-Stop Bettery等新工藝也浮出水面,，展示出蓬勃的創(chuàng)新力,。

按封裝形式來分，目前主流的鋰電池有圓柱,、方形和軟包三種封裝形式?，F(xiàn)在方形電池往長(zhǎng)和薄方向發(fā)展，如,，比亞迪的刀片電池,、蜂巢能源的短刀電池，國軒高科的JTM電池則是一種標(biāo)準(zhǔn)化的“類刀片”產(chǎn)品,；圓柱電池往大圓柱方向發(fā)展,，如特斯拉、比克電池,、億緯鋰能等推出的4680電池,；針對(duì)軟包電池，捷威動(dòng)力推出了積木電池這樣的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,。

中創(chuàng)新航還推出了自稱是繼圓柱,、軟包和方形之后的第四種封裝形式的產(chǎn)品—— One-Stop Bettery。這種新的設(shè)計(jì)理念不僅適用于電芯封裝,，還適用于電池包集成,。

從整車電池系統(tǒng)集成的趨勢(shì)來看，繼無模組的CTP電池系統(tǒng)量產(chǎn)之后,，CTC,、MTC成為新的發(fā)展方向，它們將給動(dòng)力電池制造乃至整車車身設(shè)計(jì)帶來的顛覆性改變,。

目前,，動(dòng)力電池產(chǎn)品已經(jīng)呈現(xiàn)出材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的融合。在兩個(gè)維度創(chuàng)新技術(shù)的雙重推動(dòng)下,，我們看到,，續(xù)航里程超過1000公里的電動(dòng)汽車已經(jīng)出現(xiàn)，相信續(xù)航焦慮的破解指日可待,。到那時(shí),，假期出行，在高速充電站排隊(duì)4小時(shí)充電1小時(shí),、充電5分鐘打架2小時(shí)的尷尬就大概率不會(huì)發(fā)生了。

刀片電池,，短刀電池

方形電芯的發(fā)展趨勢(shì)是長(zhǎng)度變大,、厚度變小,，由此出現(xiàn)了刀片、短刀概念,。

2020年3月29日,，比亞迪正式推出刀片電池。單體電池長(zhǎng)960mm,、寬90mm,、高13.5mm，形如長(zhǎng)條刀片,。通過CTP的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,，一個(gè)個(gè)刀片單體電池跳過模組直接集成為電池包。電池包安全性能大幅提升,，體積利用率也提升50%以上,。

同樣沿著電芯越來越長(zhǎng)、越來越薄的開發(fā)方向,，2021年12月,，蜂巢能源在電池日發(fā)布會(huì)上提出“全域短刀化”概念。只不過,，相對(duì)比亞迪的刀片電池,，蜂巢能源的短刀電池要短一些。

根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)上主銷車型寬度,，蜂巢能源發(fā)現(xiàn),，主流的A０-A級(jí)以及B級(jí)以上的平臺(tái)適用于長(zhǎng)度在1150mm-1300mm的長(zhǎng)電芯，這樣,，600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸幾乎可以滿足大部分車的需求,。

基于此，蜂巢能源開發(fā)了L600電芯,。L代表Long cell, 600代表600mm左右的長(zhǎng)度,。目前，蜂巢能源基于果凍電池技術(shù)的NCM短刀L600電池已經(jīng)成功通過針刺試驗(yàn),，不起火,，不冒煙，能量密度達(dá)到230Wh/kg,。

按照規(guī)劃,，蜂巢能源將重點(diǎn)布局電動(dòng)全域短刀化，將涵蓋從L300-L600的全尺寸短刀電池,，覆蓋從1.6-4C全域充電范圍,，覆蓋從乘用車到儲(chǔ)能、商用車、工程機(jī)械,、非高速電車等全域使用場(chǎng)景,，覆蓋從無鈷、三元到磷酸鐵鋰全域化學(xué)體系,。

JTM電池

國軒高科推出了一種類刀片的JTM電池,。

2020年9月，國軒高科曾透露一項(xiàng)名為JTM（Jelly Roll to Module,，卷芯到模組）的新的集成技術(shù),，即直接把卷芯放在模組里面，一次完成制作,。

同年,，國軒高科申報(bào)了一項(xiàng)名為“一種電池卷芯以及電池” 的發(fā)明專利。具體做法是將通過卷繞工藝制成的電芯放入鋁殼內(nèi),，進(jìn)行串,、并聯(lián)。電池鋁殼內(nèi)至少有兩個(gè)電池卷芯,。

這種集成方法的好處是減少了外部連接件的存在,，可以提高電池的體積比能量密度，而且各單卷芯能夠相互獨(dú)立,，出現(xiàn)熱失控時(shí)不會(huì)相互蔓延,，同時(shí)也避免了大容量單體電池?zé)崾Э貢r(shí)造成整體報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

國軒高科動(dòng)力高級(jí)副總裁徐興無曾表示,，這種工藝制造過程簡(jiǎn)單,，成本低，易形成標(biāo)準(zhǔn)化,。不管走大眾MEB平臺(tái),，還是適度柔性大模組概念，都能適用,?！熬拖褡冃谓饎偅?5％都能夠通過我們這種方式做到刀片電池的水平,，他們的能量密度我們也能達(dá)到,，殊途同歸?！彼硎?。

無極耳/全極耳大圓柱電池

圓柱電池一個(gè)明顯的趨勢(shì)是由小圓柱向大圓柱發(fā)展，直徑,、長(zhǎng)度都變大,。

當(dāng)年日本索尼公司為了節(jié)省成本,，定下了一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號(hào)——18650，其中18表示直徑為18mm,，65表示長(zhǎng)度為65mm,，0表示為圓柱形電池,。

特斯拉聯(lián)合松下把18650電池應(yīng)用到新能源汽車上,。Model S的整塊電池板就是由7104節(jié)18650鋰電池組成的。早期使用的18650電池系統(tǒng)能量密度約250Wh／kg,。

后來,，雙方又聯(lián)合開發(fā)了直徑21mm、長(zhǎng)度70mm的21700電池,。相比18650電池,，21700電池單體容量可以提高35％，電池系統(tǒng)能量密度提高20%至300Wh／kg左右,。同時(shí),，因?yàn)殡姵刈兇螅鑶误w電池?cái)?shù)量減少,，系統(tǒng)成本還下降9％左右,。

但特斯拉CEO馬斯克還不滿足，他希望尋找到電池尺寸與成本的最佳匹配,。2020年9月特斯拉電池日上,，特斯拉帶來了4680電池。相比2170電池,，4680電池單體電芯的容量提升了5倍,，輸出功率提升6倍，更重要的是,，成本降低14%,，使得電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程提升了16％。

特斯拉4680電池還采用了“無極耳”新技術(shù),，核心設(shè)計(jì)理念是將傳統(tǒng)電池的極耳結(jié)構(gòu)去掉,，通過正負(fù)極集流體與蓋板／殼體直接連接。無極耳技術(shù)并不是取消極耳,，而是讓電池的接觸面全部具備極耳功能,，降低電阻，以規(guī)避電芯直徑過大產(chǎn)生的潛在安全風(fēng)險(xiǎn),。

2021年10月,，在特斯拉“Giga Fest”開放日活動(dòng)上，其4680電芯產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)在展示的特斯拉Model Y車身上,。

國內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)中,，比克電池已經(jīng)將大圓柱電池列為車電應(yīng)用領(lǐng)域的核心產(chǎn)品,。

2021年3年，比克電池發(fā)布4680全極耳大圓柱電池,。電池安全是全極耳大圓柱電池設(shè)計(jì)需要解決的核心問題,。比克稱，通過定向泄壓技術(shù),，其全極耳大圓柱電池可以做到整車層面零熱擴(kuò)散,。

比克電池46X0系列大圓柱電池覆蓋80mm至120mm，能量密度達(dá)到270Wh/kg,，其中4680大圓柱電池預(yù)計(jì)2022年規(guī)模量產(chǎn),。比克已經(jīng)著手在鄭州工廠新建大圓柱電池生產(chǎn)線。

另外,，億緯鋰能在2021年已經(jīng)量產(chǎn)鐵鋰版的大圓柱電池,，并且準(zhǔn)備在2022年量產(chǎn)46系列的大圓柱電池。

總結(jié)一下,，相對(duì)小圓柱電池,，大圓柱電池用在車上，一來提高電池系統(tǒng)空間利用率,，二來通過減少結(jié)構(gòu)件的使用可以降低成本,。同時(shí)，搭配無極耳技術(shù),，提高了功率,，又兼顧了安全性。

積木電池

針對(duì)軟包電池的集成創(chuàng)新,，捷威動(dòng)力提出了“積木電池”的概念,，即通過不同電池厚度、長(zhǎng)度,、寬度尺寸的變化提高空間利用率,，實(shí)現(xiàn)電芯在電池包內(nèi)以搭積木的形式排列。

捷威研發(fā)的積木電池電芯長(zhǎng)度為300mm-750mm,，電芯厚度為7mm-18mm,，實(shí)現(xiàn)體積利用率提升8%-12%，同時(shí)成本下降10%-15%,。

捷威動(dòng)力研究院副院長(zhǎng)馬華博士表示,，基于積木電池開發(fā)的采用高電壓高鎳材料，能量密度達(dá)到300Wh/kg,，實(shí)現(xiàn)18分鐘快充,。

One-Stop Bettery

2021年9月，中創(chuàng)新航（前身中航鋰電）發(fā)布了面向TWh時(shí)代的全新設(shè)計(jì)技術(shù)產(chǎn)品——One-Stop Bettery,。

確切地說,，One-Stop Bettery是一種技術(shù)設(shè)計(jì)理念,。一方面，產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,、零部件數(shù)量更加精簡(jiǎn),，制造工藝集成度更高；一方面,，新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝,，突破了很多現(xiàn)有串聯(lián)工序和結(jié)構(gòu)組成帶來的物理瓶頸，大幅提高集成效率和制造效率,。

One-Stop開發(fā)了超薄殼壁,、多維殼體成型、多功能復(fù)合封裝,、一體橋接電連接、高剪切外絕緣,、原位無塵裝配集成等眾多技術(shù),，使結(jié)構(gòu)重量降低了40%,零部件數(shù)量減少了25%，生產(chǎn)效率提升了100%,。

中創(chuàng)新航乘用車事業(yè)總經(jīng)理謝秋稱,，這種技術(shù)構(gòu)想，不僅適用于電芯產(chǎn)品,同樣適用于電池包產(chǎn)品,，采用該技術(shù)的電芯是繼圓柱,、軟包和方形之后的第四種封裝形式的產(chǎn)品。

三元鋰電池系統(tǒng)電芯能量密度300Wh/kg,，電池包能量密度240Wh/kg,，續(xù)航里程可以達(dá)到1000km；磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)電芯能量密度200Wh/kg,，電池包能量密度160Wh/kg,，續(xù)航里程可以達(dá)到700km。

中創(chuàng)新航采用One-Stop Bettery技術(shù)的產(chǎn)品預(yù)計(jì)2022年6月面市,。

CTP,，CTC，MTC

傳統(tǒng)的電池包集成方式是由電芯組成模組,，再由模組構(gòu)成電池包,，最后將電池包安裝到車身地板上。CTP（Cell to Pack,，電芯到電池包）結(jié)構(gòu)是將電芯集成到電池包,，是無模組概念。目前新的CTC（Cell to Chassis,，電芯到底盤）技術(shù)則是將電芯直接集成到車身上,，可以視為CTP的進(jìn)一步升級(jí),。

繼2019年首次推出應(yīng)用于乘用車的第一代CTP電池集成技術(shù)之后，寧德時(shí)代2021年1月透露將于2025年前后正式推出高度集成化的CTC電池技術(shù),。

寧德時(shí)代的CTC技術(shù)不僅會(huì)重新布置電池,，還會(huì)將電機(jī)、電控,、整車高壓如DC/DC,、OBC等通過創(chuàng)新的架構(gòu)集成在一起。

此前的CTP技術(shù)帶來了顯著的成效：零件數(shù)量節(jié)省40%,，能量密度提升10%~15%,，制造效率提升一倍。CTC的降本增效應(yīng)該更勝一籌,。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群曾表示：“CTC將使新能源汽車成本可以直接和燃油車競(jìng)爭(zhēng),，乘坐空間更大，底盤通過性變好,?！?/p>

按照計(jì)劃，寧德時(shí)代將在2025年前后推出第四代高度集成化的CTC電池系統(tǒng),，2028年前后有望升級(jí)為第五代智能化的CTC電動(dòng)底盤系統(tǒng),。

無獨(dú)有偶。2021年10月,，特斯拉在柏林超級(jí)工廠“Giga-Fest”活動(dòng)上,，展示了應(yīng)用CTC技術(shù)的Structure Battery（結(jié)構(gòu)化電池）。

航空航天領(lǐng)域?qū)⑷剂舷渑c機(jī)翼融為一體,，而不是另做一個(gè)燃料箱——特斯拉Structure Battery設(shè)計(jì)的靈感正來自于此,。特斯拉決定制造一個(gè)電池組，作為車身結(jié)構(gòu),，連接前后車身底盤部件,。

馬斯克曾表示，采用CTC技術(shù)后,，配合一體化壓鑄技術(shù),，可以節(jié)省370個(gè)零部件，為車身減重10%,，將每千瓦時(shí)的電池成本降低7%,。

2021年3月，大眾集團(tuán)在Power Day發(fā)布會(huì)上透露,，企業(yè)在自研一種標(biāo)準(zhǔn)尺寸電芯,，未來將會(huì)覆蓋集團(tuán)旗下80%的車型，并且研發(fā)了CTC技術(shù),?；谶@些技術(shù),，大眾入門款車型的電池成本有望降低50%。

2021年6月,，沃爾沃在Tech Moment發(fā)布會(huì)上,，透露了下一代動(dòng)力電池技術(shù)的CTC方案。方法是減少模組層級(jí)的組件,，將電芯與上下殼體組成一個(gè)三明治結(jié)構(gòu),，上殼體充當(dāng)乘員艙地板。這樣的設(shè)計(jì),，電池可以多出20%的電量,。

2021年8月，捷威動(dòng)力與悠跑科技在天津簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,，雙方將共同開發(fā)CTC電池系統(tǒng),。悠跑科技創(chuàng)始人、CEO李鵬表示：“雙方將從整車視角去思考和定義CTC,，并應(yīng)用于悠跑的UP超級(jí)底盤,。”相比于傳統(tǒng)的承載式車身,，滑板底盤可能更適合采用CTC技術(shù)。

此外,，LG也公布了類似的CTC技術(shù)專利,。它是將電池包的下箱體與車底盤進(jìn)行了集成，電池包的上蓋與水冷板進(jìn)行了集成,，模組安裝于中間縱橫梁形成的隔間內(nèi),，通過螺栓與底盤固定起來。

因?yàn)檐洶姵責(zé)o法獨(dú)立固定,，LG的這種處理方式展示了軟包電池在CTC方向上的思路,。但因?yàn)槿匀挥心＝M存在，這種結(jié)構(gòu)其實(shí)更適合叫MTC（Module to Chassis）,。

CTC,、MTC方案通過提高空間利用率、減重,，從而達(dá)到提高續(xù)航里程的目標(biāo),。但它也對(duì)制造工藝也提出了更高的要求。而且,，因?yàn)殡娦局苯蛹傻降妆P上,，可維修性差，與換電也無緣,。