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续航千里的磷酸铁锂电池是如何实现的?

来源:言之成锂 | 作者:admin | 分类:技术 | 时间:2024-05-07 | 浏览:32070
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锂电网讯:2024年4月25日,宁德时代在北京车展上正式发布了神行Plus电池。该电池基于磷酸铁锂正极材料,不仅续航里程突破了1000km, 而且还具备4C的快充能力,充电10分钟续航增加600km。

更加不可思议的是,神行plus电池的系统能量密度达到了205Wh/kg, 比目前主流磷酸铁锂电池系统的150~160Wh/kg提高了30%,比以高比能著称的大部分三元电池系统能量密度(190Wh/kg)还要高。

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发布会上,宁德时代首席科学家吴凯提到创新要有前瞻性,要有速度,而且要能落地。那么,这款能量密度205Wh/kg的千里续航磷酸铁锂电池是怎么实现的?其中应用了哪些创新的技术?本文带您一探究竟。


一、磷酸铁锂能实现千里续航吗?

在宁德时代的产品序列中,麒麟电池已经成为三元材料的代表(虽然最早发布时麒麟是兼容铁锂的),而神行电池已经演变为磷酸铁锂材料的代表,不过神行电池也有好多个版本,比如最早发布的神行超充电池(4C快充)就分为长寿命版和低温版,其中“长寿命版”可支持8年或80万公里超长电芯质保,而“低温版”在-10°C环境下依然能实现30分钟充至80%。

此外,小米SU7 Pro版本搭载的是神行全能电池,系统能量密度接近160Wh/kg,  总能量也高达94.3kWh(支持纯电续航830km), 但受限于400V的电压平台以及超过220Ah的电芯容量,其平均充电倍率仅为1.68C左右(参考刀片与神行到底谁能赢?)。

而本次发布的神行Plus电池,在神行全能电池的基础上,一口气将续航提升到1000km, 同时平均充电倍率也维持在神行超充电池的3.6C(参考神行快充一定要麒麟电池吗),可谓是超充+超能兼得,是高端磷酸铁锂中的性能王者(参考高端磷酸铁锂涅槃归来)

为了实现千里续航,单纯增加电池能量是不够的,因为如果系统能量密度太低的话,所增加电池容量大部分都用来运输电池本身了!根据知乎博主张抗抗的计算, Tesla Model S 75kWh按照 160Wh/kg的系统能量密度,哪怕是能量翻倍到150kWh续航也就700km,远不到469km的两倍,可见电池能量翻倍并不能带来续航翻倍。

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那么系统能量密度至少要达到什么水平才能实现千里续航呢?从此前量产的千里续航车型来看,无论是广汽AION LX Plus的千里马版本,还是极氪001的麒麟电池版本,其系统能量密度都接近205Wh/kg(参考既能千里续航又能超级快充的电池终于实现了),这样来看205Wh/kg好像是绕不开的数值。

不过在2023年5月,国轩高科发布的启晨L600磷酸锰铁锂电池,单体质量能量密度240Wh/kg,系统能量密度达到了190Wh/kg,官方宣称可实现续航1000km(参考LMFP即将拳打LFP脚踢NCM).

此外,在2023年财报投资人沟通会上,王传福提到比亚迪最早将在2024年8月发布第二代刀片电池,能量密度将达到190Wh/kg,纯电车型的续航将突破1000km。

综合这两条信息,再加上目前的CLTC测试工况有利于长续航的实现,系统能量密度190Wh/kg应该就能实现千里续航。

对于磷酸铁锂电池而言,其质量成组效率有望超过85%甚至达到90%的超高水平。根据年初人民日报 “动力电池技术新能量足” 这篇报道,长安汽车采用CTC技术,成组效率可达86%,并将于2024年量产(可能是时代长安供货)。假如按照最高90%的成组效率,那么磷酸铁锂单体能量密度要超过211Wh/kg才能实现系统190Wh/kg。

而这样的铁锂电芯早在2022年国轩高科就实现了,电芯尺寸为354*102*11.8mm(软包), 0.33C容量55Ah, 电压平台3.2V, 重量830g, 能量密度212Wh/kg.

作为2022年的WNEVC世界新能源汽车大会的创新技术(参考知乎答主Will.Liu),其采用预锂化技术,正极材料克容量发挥150mAh/g, 通过颗粒掺混提高压实密度,平衡性能(不过当时的压实密度也就2.4g/cc)。负极也是采用了掺硅的设计来进一步提升能量密度。由此可见用铁锂实现千里续航还是有希望的。

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二、205Wh/kg的系统能量密度是如何实现的?

要实现205Wh/kg的系统能量密度,哪怕是90%的质量成组效率,电芯的比能量要接近228Wh/kg, 这比前面国轩的212Wh/kg还要提升7.5%左右,而且是在方型铝壳电池上。

而且为了提高成组效率,宁德时代很可能采用了CTC的成组方式,并且叠加电芯倒置进一步提高体积利用率,来尽可能多装电池,因为要至少120kWh才能实现千里续航。

参考小米SU7 Pro 94.3kWh实现830km的续航,百公里电耗11.4kWh. 按照当前160Wh/kg的系统比能量,如果提高到205Wh/kg 并维持系统质量不变的话,那么总能量接近120.8kWh。此前哪吒S的千里续航版本也需要117kWh(可能采用了滑板底盘,参考千里续航需要多少度电)

按照前面针对国轩212Wh/kg的电池分析,正极克容量150mAh/g, 平台电压3.2V, 正极材料质量占比44%左右。因为国轩已经采用了补锂技术,铁锂的克容量发挥到150mAh/g也基本是极限了,按照类似的克容量发挥和电压平台,正极材料占比要达到48%才能实现230Wh/kg的电芯能量密度。

考虑到磷酸铁锂的真密度只有3.65g/cc左右,在正极材料中算是比较低的,远不如三元的4.8g/cc, 要实现48%的质量占比得通过提高面密度,进一步降低铜铝箔隔膜以及电解液等的占比来实现。

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从官方宣传来看,这款正极确实采用了颗粒级配技术,这样能够将每一颗纳米颗粒放在适当位置,实现超高压密。以目前铁锂的水平来看,宁德时代的压实密度有望超过2.6g/cc, 远高于国轩的2.4g/cc, 这样就能在加大面密度的基础上保持极片厚度稳定,降低内阻。

此外,常规石墨克容量大约是350mAh/g, 按照1.12左右的NP比,负极材料的质量是正极的48%左右,占比还是偏高的。为了进一步降低负极质量占比,这款电池应该是跟国轩类似,采用了掺硅的负极,而且硅的比例可能提高到10%左右,使负极克容量超过450mAh/g, 这样负极质量占比可以降至正极的32%。

官方宣称负极是自主研发三维蜂窝状材料,来提升负极能量密度,控制充放电体积膨胀。考虑到石墨本身的体积膨胀很小,不必用蜂窝状来抑制,这款负极大概率是掺硅了的。同时电芯首创的一体式外壳也有利于进一步提高材料的利用率和质量占比。

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值得注意的是,掺硅可能会影响快充性能的发挥并降低循环寿命。不过硅的放电平台电压比石墨高,当掺硅量较少的时候,只有放电SOC非常低的时候才会利用到硅。新能源汽车一般最低电量很少在10%以下,这样硅参与充放电的机会很少,对于整体快充和寿命的影响十分有限。

当然了,以上只是按照纯LFP体系进行的猜测。宁德时代也可能采用LFP跟三元材料掺混的体系配方(在目前的三元电池中,宁王就广泛掺杂了铁锂来改善安全和低温)。

因为虽然主流LFP的上限电压是3.65V, 哪怕是充电到4.2V,LFP材料的循环寿命也不会受到特别大的影响:一方面文献上已经有类似的研究,比如文章Electrochemical cycling behavior of LiFePO4 cathode charged with different upper voltage limits就发现LFP全电池充电到3.6V或者4.2V其循环容量保持率相近;

另一方面,目前的LMFP材料中Mn/Fe的比例是6:4或者7:3,其上限电压就是4.2V, 循环寿命也能做到1500~2000次。
     小结:按照宁德时代曾毓群给小米雷军的介绍,神行plus电池今年发布,明年正式装机。而且后面基于三元的麒麟电池续航可以实现1300km。那么这款千里续航的神行Plus电池会花落谁家呢?首先排除小米,因为雷军在车展现场并不知情。参考之前麒麟电池首发的车企来看,极氪以及理想这两家面向高端客户,都是有可能首发神行Plus的。

不过考虑到这款电池可能是集成CTC技术的,而宁德时代CIIC一体化智能底盘此前在三元电池上已经实现了1000km续航,并且在北京车展上提到第一个基于磷酸铁锂电池的滑板底盘产品将于今年下半年量产。说不定这款神行plus电池会率先落地在滑板底盘的车型上,让我们拭目以待。


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