“最江苏”导读 2020年常州“新基建” 企业年度典型样本案例（三） 蜂巢能源： 攻克无钴动力电池研制难题 树立行业“芯”标杆
汽车电动化浪潮下，动力电池产业正走向车规级动力应用的3.0时代，对电芯工艺、电池材料、安全性能要求更高。 位于江苏常州金坛区的蜂巢能源科技有限公司（以下简称“蜂巢能源”），聚焦“新工艺、新材料、新标准”，勇闯动力电池行业“无人区”，树立全球动力电池行业“芯”标杆。 “技术跑在产品前面” 应对动力电池多变格局 车用动力电池单体电容量、串并联数远超传统电池，加之汽车工况复杂、应用场景千变万化，对电池的续航、安全稳定性、循环寿命、制造工艺等要求比传统电池更严苛。目前，车用动力电池在电芯工艺、电极材料及安全标准等方面亟待革新。 电芯工艺需平衡效率与安全。电芯是电池系统的最小单元，其制造工艺分为卷绕式与叠片式。目前卷绕工艺电芯占据市场主导地位，但存在安全隐患和充放电不足问题,叠片工艺安全性与循环使用寿命较高，但生产效率低、较难产业化，不能满足车规级动力电芯的要求。 电极材料受制约。“钴”是电池正极材料的重要组成元素。据USGS 2019年统计，全球钴资源存储量仅688万吨，集中分布于刚果（金）、澳大利亚、古巴等国家，而我国钴资源主要依靠进口，价格波动大且成本高。因此，降低钴含量能提高动力电池企业原材料选择权与议价能力，或将重建上下游话语，进而重塑动力电池产业生态。 车轨级标准尚未建立。车用动力电池的耐用性、一致性、安全性和充放电性能指标远高于消费类电池。然而，目前国内外车规级动力电池缺乏统一的技术与安全标准，难以保障动力电池的设计、制造、装配等环节的一致性与可靠性，容易造成各种新的安全问题叠加。 受上述因素制约，一直以来，动力电池的安全性、续航里程和使用寿命都是横亘在新能源汽车产业发展过程中的三座大山。 前身是长城汽车的动力电池事业部的蜂巢能源，为应对动力电池多变格局，率先将正极材料钴含量降至“0”，建造了全球首家在方形铝壳电芯上采用“高速叠片工艺”的车规级动力电池AI（常州金坛）工厂，全方位优化动力电池能量密度、循环寿命、安全、成本等性能。 靶向新工艺、新材料 树立行业“芯”标杆 传统卷绕工艺性能与叠片工艺生产效率低、正极材料钴资源稀缺且价格波动大、普通工厂自动化制造水平低等情况，成为动力电池产业发展的“拦路虎”。蜂巢能源敢闯敢试，多维度优化动力电池性能，跑出行业“新工艺、新材料、新标准”革新加速度。 ——创新“Z型”高速叠片工艺，全球首推高速叠片方形电池 从3C级应用的1.0时代、普通动力应用的2.0时代，到现在车规级动力应用的3.0时代，各阶段电芯形态与主流厂商制造工艺随之变化。 方形叠片电池与卷绕电池主要流程差异在于分切、模切和极组成型三大工序。卷绕工艺正负极片是连续状，叠片工艺正负极片是片状；卷绕工艺在检测到极片上的mark孔时，在mark孔位置裁断，完成一个极组的卷绕，而叠片电芯按照正负极片设定数量进行叠片，完成一个电芯的叠片；成型的极组存在形态差异，卷绕工艺的极组在层数相同的情况下，极耳的数量比叠片电池多一倍。 电池1.0时代和2.0时代以卷绕工艺为主，在电池3.0时代，新能源汽车电池包设计向着长度更长的方向发展，高度方向则统一在100mm左右，因此叠片工艺生产的电芯将得到广泛应用。 研究表明，相较于卷绕工艺电芯，叠片工艺电芯可以使电池的能量密度提高5%，循环寿命提升10%至20%，成本降低5%，在制造大尺寸、大容量动力电池方面优势凸显。然而，受制于设备生产效率，叠片工艺难以大规模应用。 为此，蜂巢能源聘请国内外资深叠片设备与工艺专家重点攻关，创新采用“Z型”高速叠片工艺，突破了叠片设备生产效率瓶颈，并进入量产阶段。 蜂巢能源已开发与导入行业首例45度旋转式高速叠片，叠片效率达0.6秒/片/单工位，超出行业传统叠片设备单工位效率的40%，到2020年产能可实现4GWh。目前，蜂巢能源已开发制作完0.45s/pcs/单工位叠片速度验证与样机，2023年预计可开发出0.25s/pcs/单工位叠片设备。 据悉，蜂巢能源于2019年4月率先发布首款高速方形叠片电池，领先主流厂商提前进入“叠时代”。“方形叠片电池将是未来动力电池的主要方向。”蜂巢能源总裁杨红新说。 ——攻关正极材料“卡脖子”技术，树立行业无钴“芯”标杆 作为新能源汽车产业的中游环节，动力电池产业遭受上下游两端挤压。一方面，上游原材料价格上涨带来成本提升；另一方面，新能源汽车补贴退坡压力向中游转移。 在保障动力电池安全可靠前提下，不少动力电池企业将降低钴元素含量作为保持产品成本优势、提升市场竞争力的重要手段，“低钴”甚至“去钴”成为业内不懈努力的方向。 近年来，国内动力电池企业瞄准降低钴含量的技术路线，持续研发与突破。钴含量从最早钴酸锂中的59%、三元NCM523中的12%到新一代三元NCM811中的7%以内……从技术发展趋势可见，钴含量逐渐降低。 如今，蜂巢能源从三元NCM（镍钴锰）中真正拿掉钴的二元镍锰酸锂（NMx），正式对外发布“无钴电池”A样产品，战略性摆脱正极材料对“钴”材料的依赖。 在“去钴”道路上，业界大多朝着“高镍去钴”方向努力。然而，提高镍含量会造成材料热稳定性下降、安全风险加大，同时高镍条件下产气释氧，与电解液反应，影响电池循环性能。 为此，蜂巢能源转变电化学体系材料配比方向。“把镍含量降低，在镍7系和8系中间，即用中高镍体系来做无钴材料”，蜂巢能源无钴材料研发负责人说，“真正推动‘无钴电池’落地并满足整车应用场景需求的关键是阳离子掺杂技术、单晶技术、纳米网络化包覆技术”。 研究发现，阳离子掺杂技术能大幅改善材料稳定性，可在4.3-4.35V电压下稳定工作，能量密度比磷酸铁锂提高40%；单晶技术可改善电池安全性和寿命；纳米网络包覆技术可改善高电压下的材料循环性能。 对比目前主流的三元电池、磷酸铁锂电池，蜂巢能源的“无钴电池”在能量密度、循环寿命、安全、成本等各项性能上超越其他产品。2020年5月，蜂巢能源发布了两款A样“无钴电芯”，具有长续航（可实现880km续航）和长寿命特点。目前蜂巢能源正在生产测试、调试、优化B样产品，基于此进行电池包结构设计相关工作。 “B样之后，蜂巢能源还要做C样以及配套整车的开发和验证流程”，蜂巢能源无钴电池研发负责人说，“无钴电池技术从开发、调试、优化，产品从A样、B样以及搭载到整车上验证，夏季、冬季标定都需要一定周期，因此明年6月产品将正式推向市场”。 未来，蜂巢能源将基于第一款无钴材料的技术沉淀，继续从材料端迭代开发无钴材料体系，并研制相应无钴产品满足不同应用场景需求。 搭建平台畅通大数据管理 打造全球首批车规级动力电池AI工厂为夯实车规级制造标准、保证产品质量与安全性，蜂巢能源联合欧洲多家车企，深入研究世界主流汽车产品需求标准，系统优化并改进电池生产流程和工艺标准，让“车规级”从电池制造层面变得可操作执行。 “除了车规级制造，还要有原材料、设计、安全等一系列车规级标准，全行业应合力打造中国车规级动力电池产品的全球领先地位。”蜂巢能源总裁杨红新说。 在车规级动力电池AI（常州金坛）工厂，生产车间重要工序的环境洁净度采用行业最高标准，全制程控制因子高于传统工厂1500至2000个；通过智能物联配送、追溯与分析系统实现智能管控，库存降低40%、产品开发周期缩短30%；通过太阳能发电、能源回收系统、储能系统、材料回收技术实现环保节能…… 据悉，2019年底金坛工厂正式投产，投资超80亿元，总产能规划18GWh，其中，一期项目规划产能4GWh，二期项目规划产能8GWh，三期规划产能6GWh。 目前，蜂巢能源数字化架构已搭建完成，AI智能工厂平台1.0BMS、大数据互动平台1.0、储能大数据分析平台1.0均已实现，正在向2.0迈进。下一步，蜂巢能源将借力新基建，聚焦数字化工厂、云储能、企业运营、BMS大数据互动平台四大模块，依托大数据平台贯穿上下游生态链，畅通动力电池生产、车辆运行、梯次利用的大数据管理，实现贯穿产品研发、生产、售后服务的全生命周期管理。(分析师 郭文嘉) 资料来源：中国经济信息社江苏中心 |
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