大圆柱电池再起风云：奔驰、比亚迪也加入，主打场景大不同
继特斯拉、宝马之后，梅赛德斯奔驰、比亚迪也彰显了对大圆柱形电池的雄心。11月16日，在于广州车展期间举办的2023梅赛德斯-奔驰科技创新日上，奔驰在中国市场首次展示了 Vision One-Eleven概念车。据介绍，除了采用高性能电驱系统、轴向磁通电机，高性能液冷圆柱形电池也将用于这款概念车型。奔驰官方表示，圆柱形电池的化学成分会有很大的创新，目前公司正与一级方程式团队紧密合作，对其进行开发和完善。碰巧也是在同一天，国内电池材料商金杨股份回复投资者表示，公司今年下半年开始向比亚迪小批量供应46系列电池精密结构件。更多的网上信息也让比亚迪46系大圆柱电池进一步现真身。动力电池按照形状划分可分为方形、软包、圆柱。自2020年特斯拉发布4680大圆柱电池掀起圆柱浪潮以来，大圆柱电池的阵营日益壮大。紧随特斯拉之后的车企包括宝马、通用、沃尔沃、Stellantis、岚图、保时捷、蔚来等。在此之前，奔驰的电动车型主要采用的是宁德时代的方形电池和韩国企业SK on的软包电池，而比亚迪的方形刀片电池则覆盖了其全套车型，并应用于部分储能产品。在电池的性能和落地场景上，这两家企业瞄准的大圆柱电池不尽相同。奔驰的大圆柱：高性能硅基负极，先用于跑车奔驰方面关于电池的介绍惜字如金——“化学成分会有很大的创新”、“高性能液冷”、“与一级方程式车队合作”。在今年6月梅赛德斯奔驰首次发布Vision One-Eleven时，公司首席技术官Markus Schäfer也表示，电池的高性能化学材料受到F1启发。一位国内头部电池企业相关负责人向澎湃新闻记者介绍，所谓 “化学成分会有很大创新”，或意味着电池将配合8系或9系高镍三元正极材料和硅基负极材料，而未来正极材料也有可能进一步使用富锂锰基材料。在大圆柱电池的研发上跟一级方程式团队合作的原因，该负责人猜测，“这可能是由于跑车对于电池的性能要求更高，而圆柱形电池在满足这些性能方面更有优势。”“相对于方形电池形状，圆柱形电池对于新材料的适应性会比较好，电池在充放电过程中不容易发生膨胀等副反应。”这位人士表示。另一位国际知名车企负责电池研发的人士也对澎湃新闻记者指出，硅基负极或许会是奔驰的大圆柱电池发力重点。值得注意的是，特斯拉在发布4680大圆柱形电池时宣称负极要使用硅，但在目前特斯拉已经实现量产装载于MODEL Y的4680电池中，仍然采用的是传统的石墨负极。据了解，特斯拉将在其第二代4680电池中，开始少量使用硅基负极材料。相对于目前主流的石墨负极，硅材料具有的理论比容量是石墨类的10倍多，此外，硅基负极由于不存在析锂隐患，快充性能优异。不过，硅基负极材料在嵌锂过程中，存在体积膨胀严重（硅在与锂发生合金化反应时会产生巨大的体积膨胀，膨胀率最多可达300%）、材料导电性差、首次库伦效应低和循环性能等问题，材料需要进行预锂化、纳米化、碳包覆等改性处理，制作工艺复杂，目前行业仅少数企业掌握了相关工艺。据了解，在2019年，奔驰与电池材料初创公司Sila建立战略合作伙伴关系。Sila计划将硅负极电池进行商业规模化，使用其硅基负极的新电池能量密度将提高20-40%，从而使得电池在相同的空间内储存更大的能量。跟据Sila公司网站介绍，公司的硅基负极材料“Titan Silicon”能够有效地抑制膨胀。“在使用寿命结束时，完全使用Titan Silicon硅基负极的电池最多膨胀6%，与石墨负极电池相似。”在完全替代石墨的情况下，使用Titan Silicon的电池体积能量密度提高了20%，循环次数超过1100次（容量保持80%）。不仅如此，在不牺牲循环寿命和安全性的情况下，新电池能够在20分钟内从10%充电到80%。该方案可应用于方形、圆柱、软包在内的任何一种电池方案。据介绍，Sila位于华盛顿州摩西湖的制造工厂已完成新设备的开发，Titan Silicon硅基负极计划于2024年下半年开始量产，在2025年首先应用于奔驰的EQG电动车型。但值得注意的是，也有业内人士对澎湃新闻记者指出，由于材料的特殊性和工艺的困难，完全使用硅基负极的大圆柱电池“短时间内很难大规模量产，或先用在跑车。”比亚迪的大圆柱——磷酸铁锂平价路线，先用于储能今年上半年曾有传闻，比亚迪非常关注大圆柱电池，董事长王传福“亲自建了个工作群研究大圆柱电池”。7月18日，“比亚迪采购与供应管理”公众号发布“比亚迪集团拟对2023年大圆柱电池全自动烘烤线设备实行供应商公开招募”的消息，证实了比亚迪已布局大圆柱电池，且已经进展到一定阶段。此外，比亚迪全资子公司弗迪电池于10月宣布，其在9月与LG签署“战略合作备忘录”。本次合作中，弗迪电池携消费类电池产品LFP 4680，将与LG协力打造面向欧美市场的竞争力产品。未来，双方将在家庭储能、机器人及其它智能家居领域展开深度合作。11月3日，金杨股份表示，其46系列大圆柱封装壳体已经小批量供应比亚迪，主要应用于储能产品。目前，从网上已经透露出来的部分信息来看，比亚迪的46系大圆柱电池都采用磷酸铁锂材料，有两个高度，FC4680P高度为80MM，额定容量为15Ah，FC46120P高度为120MM，额定容量为25Ah。两款电池的循环次数大于2000次（70%DOD），充电适用温度是0—55摄氏度，放电适用温度是-20摄氏度—60摄氏度。此外，在电池顶部的小插头（正极端旁边）有一个防爆阀。从能量密度来看，电池单体能量密度为129Wh/kg，跟主流的车规级电池性能有一定差别（主流车规三元电池能量密度为250Wh/kg，车规级磷酸铁锂电池能量密度为180Wh/kg），落在储能用磷酸铁锂电池能量密度（100Wh/kg—150 Wh/kg）范围内。值得注意的是，有业内人士向澎湃新闻记者指出，在相同化学材料的条件下，相对于方形电池，圆柱形电池在能量密度方面并不特别占优势，但其热扩散效应好，生产一致性高，安全性理论上更高。数据显示，截至2023年4月，国内外布局大圆柱电池企业超50家，其中GWh级别产能规划企业超15家，全球大圆柱电池产能规划合计已超350GWh。 但现目前方形仍然是主流。2022年，中国市场动力电池装机量约为302.3GWh，其中方形电池装机273.9GWh，占比90.6%。此外，不少业内人士指出，大圆柱电池性能制造上还存在不确定性，集流盘和极柱、集流盘与壳体/底盖的焊接也是一大棘手难题；在性能方面要完全兑现其潜力，还需要在连续快充循环方面、高温存储方面继续下功夫。另据澎湃新闻记者了解到，有宁德时代的相关电池负责人就认为，大圆柱电池在目前的工艺上还不适合做超快充，因为顶盖的焊接工艺不太稳定，大功率充放电不安全。在热量控制上，圆柱电池包使用的蛇形水冷管也不如麒麟电池的水冷板控制更均匀。但无论困难如何，未来大圆柱电池“通过结构创新与材料体系，实现更高效制造、更高性能、更低成本来满足电动化的需求，毫无疑问是行业的重要技术路径之一。”
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