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轉載│CTP之於鐵鋰/三元/固態 去模組化是誰的危機誰的轉機?

本文轉載自微信公眾號"連線新能源"

2019年第三季,三元鋰電龍頭CATL聯手北汽發佈CTP電池包,一時之間「去模組化」概念一躍而上,成為新能源圈焦點;再來是鋰鐵龍頭比亞迪老董王傳福年初在中國電動汽車百人會論壇透露其刀片電池技術即將搭載于其王朝系列第五款車型─ 漢,再次將CTP技術推上舞臺中央;接著,寧德時代與特斯拉針對寧德CTP鋰鐵電池包達成合作的消息再使一眾相關企業股價飆升。
兩大技術路線領導者接連公開CTP技術成果,是否代表去模組化趨勢底定? 同時間市場對於CTP可行性與成效的質疑聲音也隨之而來,究竟CTP技術除了推動股價之外,能不能是電動車再進化的推進助力?
顧名思義,CTP (cell to pack)的終極目標是直接集成電池芯為電池包,透過省略模組端的機構、材料來提升電池包成組效率,理論上在提升能量密度的同時還能降低成本,如此夢幻的技術在實踐上卻不如字面上容易。
首先考慮模組存在的意義,過往主機廠透過將數以百、千計的單電芯集成為數個模組後再集合而成電動車複雜的超大陣列電池系統,物理上,模組起到支撐、固定與保護的作用;電子系統上,透過模組化對電芯進行分批監測、管理可提升準確性,初步把關電池包複雜又龐大的系統,提升整體可靠度與安全性。換言之,省略模組環節對於電池包級別的BMS/TMS設計、電芯一致性要求、安全控管甚至後端的維修與梯次利用都是嚴峻的挑戰。
目前所謂的CTP方案都並未真正跳過模組階段,而是透過將電池做大或調整模組設計來減少模組階段的零部件,而對於不同技術路線的電池,企業有不同的CTP策略:
CTP之於磷酸鐵鋰:安全、經濟、短期可接受的續航里程
在過去幾年市場一片對於能量密度提升的熱烈追求之下,產業聚焦于高鎳三元的發展,導致能量密度低的磷酸鐵鋰幾乎被邊緣化,如今鋰鐵電池卻能一轉劣勢,重新奪回與三元競爭的機會,主因有三:1) CTP技術帶來系統能量密度的提升 2) 補貼退坡後鋰鐵成本優勢顯露,而CTP起了加乘作用 3)過於頻繁的自燃事故使市場重新審視安全性。
本次比亞迪發佈的"刀片電池"的電芯外型較過往方殼電芯更長且薄,透過優化電芯排列模式與提升散熱面積來節省空間,王傳福表示 "電池體積能量密度比過往磷酸鐵鋰增加50%,成本下降30%,續航里程達到600km",但根據工信部新一輪發佈的新能源汽車推廣目錄 ,比亞迪牌7009BEV1,也就是採用刀片電池的漢EV之系統重量能量密度僅140Wh/kg,距離市面上高階三元電池包的150~180Wh/kg尚有不足。
這是鋰鐵CTP稍微尷尬的地方,即便成組效率提升了,鋰鐵電池在理論能量密度上的短版依然存在,就算比亞迪按照規劃在兩年內將單體能量密度提升至180Wh/kg、系統160Wh/kg,在短期內或許能夠與三元電池競爭,但隨著高鎳正極或固態電池普及後帶來的能量密度再升級,超級鋰鐵的160Wh/kg仍會顯得無力。

CTP之於三元鋰電:長續航、成本降低、安全未可知
寧德時代的CTP主要透過將單體電芯容量放大(200Ah)、多排電芯排列及運用新型模組殼體來簡化零件以爭取空間,另在模組間運用管型機構來達到連接、固定的功效,以彌補多排電芯排列在結構強度上可能的不足,電池包能量密度可達200Wh/kg,體積利用率提升15%-20%。三元系鋰電採用CTP技術無疑能使原有的能量密度優勢更上一層樓,也有助降本,但在安全性上卻值得觀察。
還記得去年隨著新能源車自燃事件發生頻度上升,產業對於車輛安全性提出的共識:基於三元鋰電在本質上的不穩定性,模組階段的管理、預警、甚至阻燃功能將成為確保系統安全的關鍵技術。若連小尺寸電芯都必須透過模組來強化安全控管,那麼將蘊含更多能量的大電芯簡化模組階段而集成的電池包,又能提供什麼程度的安全性?
運用在鋰鐵和三元電池上的CTP技術能夠一定程度的提升能量密度、降低成本,但我們必須認清,CTP並不是萬靈丹,即便優化了電池包結構,電池先天的劣勢仍難以消弭、甚至會惡化,那麼,有沒有更適合做CTP的電池技術呢?



次世代的CTP:固態電池
固態電池具有和鋰鐵相當的安全性、三元等級的能量密度,理論上採用CTP技術後能夠創造安全、能量密度、成本三全的電池包,而在簡化模組方面,固態電池還有另一層優勢:電芯內部串聯的可能性。 電芯內部串聯(bipolar)的好處很多,也已經不是新的概念,但由於聚合物電解液在高於4.5伏的電壓下就會分解,無法實現於液態電池,直到近幾年才由豐田、輝能等固態電池廠重新提出,透過bipolar技術,可以透過直接貼合極層來提升電壓,能夠做出真正簡化外部串聯線材空間、高容量高電壓的大電池芯。

<圖:輝能於美國2020 CES展出MAB電池包>
回顧輝能在去年發表的電池包技術,可以看出其中蘊含了內部串聯技術與CTP技術。
名為MAB(Multi-Axis Bipolar+) 的電池包直接將大面積的極片分層堆疊,簡化機構與冷卻系統後,成組效率能較傳統電池包提升30~50%,系統重量能量密度達到180Wh/kg左右,預計兩年內可達到210Wh/kg等級的系統能量密度,同時在能量密度與安全性上形成雙重優勢。
在2019年,輝能也與幾家車廠簽下了面向MAB電池包共同研發的戰略合作協定,可以期待幾家主機廠會如何以固態電池與CTP技術激蕩出新一代的電池包技術。

 
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