2023年,可以說是「快充」元年。新發布的純電車,如果不具備2.5C以上的快充能力,消費者就會認為要么是老平臺技術、要么是經濟取向的產品,這就與高端一詞無緣了。新發布的插混/增程車,消費者也會特意關注充電功率,這關系到在服務區充電時會不會被歧視。
2023年成為「快充」元年并不是偶然,而是由技術規律、用戶體驗、行業趨勢三方面因素決定的。
一、推動快充普及的三大動力
1. 技術規律:電池快充與800V息息相關
400V高壓體系下,非液冷樁電流上限250A,可算得最大充電功率400V × 250A = 100kW,對應純電車的充電倍率也就是1-1.5C。個別400V車型(例如特斯拉Model 3)也具備超過2C的快充能力,但需要到特斯拉專屬充電樁才能實現。
也就是說,即便電池產業早就做好了快充技術儲備,在400V高壓體系也下沒有用武之地。例如,寧德時代麒麟電池發布時宣稱有4C充電能力,但第一個量產交付的車型極氪009卻只配置了大約2C的充電性能,最主要的原因就是400V高壓體系支撐不了更高的充電能力。
2023年6月,20萬元區間的小鵬G6發布,將全域800V技術體系拉入平價區間,這就為2-5C的快充技術鋪平了道路。后續的800V車型,基本上都配置了2-5C的快充能力。
可以看出,800V與電池快充緊密相關。因為2023年是「800V」元年,所以2023年成為「快充」元年并非偶然。
2. 用戶體驗:充電時間縮短的非線性收益
電池的充電倍率C-Rate與充電時間成反比關系:1C需要1小時充滿,2C需要30分鐘充電,3C則需要20分鐘充滿。
從數字來看,從1C到2C的充電速度提升一倍,充電時間縮短一倍;從2C到3C,充電時間減少的絕對值甚至還呈現出「邊際收益遞減」的特征。
要是這么來算,快充帶來的用戶體驗收益好像并不是立竿見影,大力投入似乎不太劃算。
實際情況并非如此。通過走訪快充用戶發現,他們普遍認為快充顯著提升了用戶體驗:實際用車場景中,停車后會有10-30分鐘的「固定等待時間」,例如回電話、發短信、查導航、買飲品、伸懶腰、去洗手間、整理垃圾、收拾行李等等。
以20分鐘的中位數來算,1C到2C并不是從1小時到30分鐘的2倍提升,而是等待40分鐘到等待10分鐘的4倍提升,用戶體驗的提升非常顯著!
3. 行業趨勢:插混/增程的電池容量越來越大
插混車型剛出來的時候,主流純電續航僅為50公里左右。近年來隨著新能源產業升級,插混/增程車型的電池容量越來越大。
CLTC續航高達215公里的理想L7在市場上取得成功,說明消費者認可這類產品。2023年推出嵐圖夢想家、零跑C11增程版更進一步,它們的CLTC純電續航分別達到236公里、300公里。
當插混/增程車型的電池容量越來越大的時候,用戶傾向于當成半個純電車使用。在油電能耗費用差異巨大的前提下,大電池單次充電獲得的省錢效益更為顯著,消費者就更為關心插混/增程車型的快充性能 —— 這不僅關乎著充電等待時間,也涉及到避免被純電車主歧視充電慢的尷尬情境。
二、蜂巢能源的短刀快充產品
12月12日,蜂巢能源在浙江省湖州市舉辦了第四屆電池日。我駕車前往湖州參會后,認為本屆電池關鍵詞就是「快充」——?不僅純電車的電池要快充,插混/增程電池也要快充:
蜂巢能源湖州基地
﹒純電快充:推出L400和L600兩種規格的LFP短刀快充電芯,容量分別為105Ah, 130Ah和133Ah,可以實現最高4C的充電倍率。L400將于2024Q4量產、L400于2024Q3量產。
﹒混動快充:將已有的大單品62Ah、90Ah、117Ah全系升級成2.2C快充。
前往湖州之前,我就聽說這次大會的主題就是:全域短刀+磷酸鐵鋰+混動快充。當時就產生了一些疑惑,例如:
﹒磷酸鐵鋰不是充電慢嗎,強做快充是不是硬上呢?
﹒現在純電卷快充已經有點過頭了,經常在家充電的混動也卷快充,是不是走錯路了呢?
﹒增加快充屬性是要提高成本的,混動快充電池賣得出去嗎?
回答這些問題,就可以清晰地理解蜂巢能源的創新思路與技術路徑。
三、磷酸鐵鋰為何能做快充?
2020年的諾貝爾獎頒給了一位近百歲的老人:古迪納夫(Goodenough):他年過半百才投入鋰電池研究,以一己之力發現了大部分關鍵正極材料,包括:層狀結構的鈷酸鋰(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石結構的錳酸鋰(LiMn2O4 spinel structure)、橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LiFePO4 olivine structure)。后人改進的三元鋰正極材料,也是層狀結構。
三元鋰與磷酸鐵鋰在結構上的差異導致了它們的稟賦不同,在此提出一種通俗的理解方式:如上圖,鋰離子在層狀結構中穿梭起來更自由,因而更容易做高能量與功率密度;而在橄欖石結構的磷酸鐵鋰中,鋰離子每次穿梭都要經歷關卡,就像層狀石墨與金剛石一樣,這種結構換來的好處是結構更加穩固、更不容易崩塌,安全性更佳。
近幾年,層狀結構三元鋰在乘用車應用突飛猛進,但現在卻不得不放慢了腳步:以前只需要研究如何提高能量密度,現在則面臨一個更難的踩鋼絲問題——三元鋰如何在能量密度、快充能力、安全性三者之間仔細地權衡取舍。
磷酸鐵鋰則不一定,它的固有屬性之一就是安全:在正極材料發生副反應時,磷酸鐵鋰材料的由于高能量的P=O鍵使得氧氣不會輕易釋放出來,這就降低了電解液遇到氧氣起火的可能性。
舉一個簡單的例子:磷酸鐵鋰就像武俠小說的郭靖,雖然資質愚鈍一些,好處就是腦子里不會想一些亂七八糟的東西,只要苦練各種屬性,它就能達到比較高的水平; 三元鋰則像修習乾坤大挪移的日月神教教主陽頂天,他的武功天賦很高,很年輕就修成了神功,但要想再上升一個檔次(增加快充)的話,就面臨著走火入魔的風險。
郭靖的難題是如何進步;陽頂天的難題是避免走火入魔。年輕的時候,郭靖的武功并不突出,但勝在穩定進步,中年的時候也成了一代武學宗師。
磷酸鐵鋰修煉快充能力,大概也是這么個道理:反正正極材料穩定安全,咱們就修煉其它各項屬性,穩定進步就好啦!除了蜂巢能源,還有極氪的金磚電池、寧德時代的神行電池也走了磷酸鐵鋰快充之路,英雄所見略同。
蜂巢能源短刀鐵鋰實現快充,材料方面的技術路徑包括:
蜂巢能源短刀鐵鋰快充的材料創新
﹒正極材料:核心是縮短鋰離子傳輸路徑、提升導電性。采用了超細納米顆粒填充以提升壓實密度、增加接觸面積、降低內阻;通過摻雜包覆技術提升導電率。極氪金磚電池說法是納米級顆粒+復合導電劑,思路大體一致。
﹒負極材料:核心是降低擴散路徑、提升擴散速度。通過材料表面修飾技術、一次二次顆粒搭配使用、吸液添加劑等技術來實現。
﹒電解液:關鍵詞是低粘高導、成膜穩定性。一是要提升鋰離子的傳輸速度,二是自修復SEI膜來保證穩定性。極氪金磚電池也提到了SEI膜的相關設計,但它把SEI膜歸為負極材料環節的創新。
極氪金磚電池鐵鋰快充的材料技術
蜂巢能源短刀鐵鋰實現快充,電芯方面的技術路徑包括:
蜂巢能源短刀鐵鋰快充的電芯創新
﹒體系設計:采用了三維導電網格設計的梯度電極。
﹒電極設計:短刀天生適合類全極耳設計,過流面積更大、電流密度更均勻,也就是發熱更均勻,熱管理更好做一些。極氪金磚電池,你也可以看到疊片+多極耳的關鍵詞,此外金磚電池的形狀看起來也很像短刀。
﹒結構設計:這就具體到工藝層面了,大電流對接觸電流更為敏感,快充短刀采用直焊工藝的一體化過流設計。
極氪金磚電池鐵鋰快充的電芯技術
四、為何短刀更適合做鐵鋰快充?
蜂巢能源純電與混動全面轉向短刀快充,除了對市場變化的嗅覺比較敏銳之外,還有一個因素就是短刀鐵鋰更適合做快充,有一些天生的優勢:
﹒短刀更適合CTC/CTP:短刀的形狀設計就決定了適合做CTC/CTP,以提升體積利用率。磷酸鐵鋰的體積能量密度對,因此對CTC/CTP的要求更高。龍鱗甲電池的體積利用率達到了76%,比寧德時代的麒麟電池/神行電池的72%還高一些。極氪金磚電池也特別強調了體積利用率。
﹒短刀更適合混動:與長刀相比,短刀的布置更靈活一些。特別是L400與L600兩個尺寸,方便不同電池容量、不同車型尺寸的插混/增程車型組成電池包。
﹒雙面水冷更均勻:短刀的類全極耳設計的電流密度更均勻,熱管理壓力也小一些。快充采用上下兩面水冷,溫度分布一致性也比較好。
熱電分離設計更安全:短刀電池將防爆閥設置在底部,從龍鱗甲電池下箱體的排氣通道排出,以實現熱電分離,更安全一些。
五、混動快充:加速不加價,如何實現?
純電車做快充,到2C的時候就到了150-200kW了,此時需要車內的800V高壓系統支持、車外的充電樁功率支持,使用條件受限。混動車做快充,以45度電池為例,2.2C的時候恰好是100kW,對應的就是400V與250A,傳統的400V高壓系統與充電樁完全可以支持,對使用條件的要求較低 —— 電池快充性能的提升,就是實實在在的提升。
隨機找到混動車主,詢問是否愿意從當前的1-1.5C充電升級到2.2C,幾乎100%都舉雙手贊成。但是,如果我們再問一句:愿意加多少錢呢? 大家就沉默了。
蜂巢能源給出的答案是「加速不加價」:在價格不變的前提下,將旗下PHEV市場的熱銷大單品62Ah、90Ah、117Ah全系升級成2.2C快充。
這一升級,勢必會對整個插混/增程市場產生影響,因為使用蜂巢短刀電池的車型,幾乎都是當下的熱門車型:理想L7 Air版、領克08、哈弗猛龍、銀河L7、坦克500Hi4-T、嵐圖夢想家等。
增加了快充性能,勢必會增加一定的成本。這部分成本,是蜂巢能源自己扛著嗎? 我的理解是,蜂巢能源可以消化掉這部分成本,通過以下三種方式:
﹒原材料成本:與去年相比,今年鋰資源的成本已經大幅下降,這可以消化掉一部分成本。
﹒大單品戰略:深思熟慮考慮多客戶、多車型的需求,精心設計短刀的尺寸、容量,以實現一定程度上的平臺化:一個單品可以服務多個車型。同時制造上也要實現柔性,一條產線可以制造多個單品。這樣一來,在增加客戶與銷量的同時,就不會因為需求多樣化而顯著增加成本。
﹒ 工藝與設備創新,提升制造效率:疊片是短刀的工藝特點,它早年就進行了創新:從傳統的「Z」形隔膜折疊+交替放置正面極片的方式,進化為隔膜切開貼到極片上以保持平整,再分別疊起來。如此一來,就擺脫了「Z」形隔膜折疊的效率瓶頸。
這種工藝創新的精神一直在持續,今年我們亭口三人談就參觀了鹽城基地,參觀了飛疊產線的效率提升。最近,蜂巢能源通過和英特爾、西門子、羅克韋爾、清華大學、埃斯頓、中國電信、章魚博士等合作伙伴的戰略合作,成立“解放鋰電極智生產力聯盟”,聚焦大數據、大算力、大模型在鋰電智造的應用與落地。
這聽起來有點虛,實際上都在落地過程中:在湖州之行中,我遇到了兩位師弟。我右手邊的師弟,代表清華大學來簽約;左手邊的師弟,現在已經是一名創業企業家,他發明的“慧”算法,可以對極片性能進行智能預測,且做到世界領先的電芯容量預測以及電芯AI智能分選,從而提升制造效率、降低制造成本。
總結
蜂巢能源的第四屆電池日,內容非常豐富。本文篇幅已不短,但還是沒有涵蓋全(例如儲能領域的產品就沒覆蓋到)。我對蜂巢能源的一個總體感覺就是:市場嗅覺非常敏感,會根據需求的變化來快速微調產品與技術;之所以能快速調整,這與它電芯自研+產線自研帶來的靈活性息息相關。
同時,在產品與技術微調的大背景下,蜂巢能源還保持著長期戰略的一致性。2021年,蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新曾表示,將重點布局電動全域短刀化,涵蓋從L300-L600的全尺寸短刀電池產品,覆蓋從1.6-4C全域充電范圍。兩年之后的今天,我們來觀察蜂巢能源的產品與技術布局,基本上與兩年前的規劃是完全一致的。
要說有變化,那就是混動市場崛起,從而微調了混動電池的權重;快充卷得更猛,從而將兩年前計劃的最高4C微調為5C。這種長期戰略的一致性與短期執行的靈活性,將成為蜂巢能源在風起云涌的電池市場保持上升勢頭的動力。
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