不用胶粘，如何实现CTP？

在当前电池技术日趋同质化的阶段,已经很难看到令人眼前一亮的方案了,尤其是胶粘技术的大范围使用,在推进系统技术快速迭代的过程中似乎渐成一种桎梏,约束了对下一代电池技术的创新思考。

因此,当看到一款电池包,它没有遵循这种既有框架,一改对胶的依赖,通过创新的思路,可以做出同等水平的CTP方案时,我们对于下一代电池技术的视野,又重新被打开了!

这就是正力的乾坤电池给人的第一感受。

1、胶粘-已经固化了电池系统的创新

不可否认,胶粘技术在过去的5年内,深刻变革了电池包的集成方式,极大地提高了电池包的集成效率,也极大地改变了整个产业零部件的供应状态。对于胶的应用,已经从最初的辅料,迅速膨胀为关键的材料和零部件。胶的应用领域,功能,以及单包用胶量都大快速地扩大;从最初的几克,到现在的十几、几十公斤,从功能简单的结构和密封,到现在的多功能性,是过去几年内电池系统技术进步的重要推动因素之一。

图.胶粘剂在动力电池中的发展历程

但是胶粘剂大范围使用所带来的弊端也很明显,首要的就是使电池包的可拆性、维修性变得极差。一旦电池包发生问题,基本都是需要直接更换整包,即使在生产制造的过程中需要返工,也是耗时费力;再就是回收利用时,整包的拆解、电芯的拆卸,都是极为困难,而且容易破坏到电芯,难以在电芯层级再利用,只能走直接原材料回收的思路。

另一方面,从当前各家的技术状态和开发路线来看,胶粘技术已经主导了企业对电池集成方案的应用,行业上下目前对于非胶粘技术集成的创新在无形中被极大抑制了,很难跳出胶粘技术的框架,以崭新的视角来看未来电池技术的发展。

2、乾坤电池的关键技术创新

破除和摆脱胶粘技术的关键就在于如何解决在没有(或少量或间接形态)纵横梁和紧固件的条件下,实现电芯的固定。

乾坤电池通过借鉴我国传统建筑技术-榫卯结构,构建了基于榫卯卡接技术的固定方案。这个技术带来的的本质变化是从之前单一依靠外力(如胶或紧固件)来实现电芯的固定,转向主要依靠电芯自身结构与外界来实现固定。电芯在下箱体上的装配与固定,可以像轨道槽一样配合。

图.乾坤电池榫卯卡接技术示意

乾坤电池的榫卯结构技术,挑战在于两点:一是电芯本身由于极柱结构变化带来的设计变更,产线调整;二是在系统集成后,整个榫卯结构在实际应用时的结构可靠性,这点是我们后续要着力观察和跟进的。

榫卯卡接技术很好地解决了当前胶粘方案所面临的问题,通过这种极柱卡接的方案,能够实现无结构胶设计,可以实现全生命周期内单电芯可拆卸,在系统高集成度与便捷维护之间取得更好平衡效果。

除了榫卯卡接技术,乾坤电池还有以下几点也值得我们深入研究下:

图.乾坤电池整体性能参数

(1)关于乾坤电池的整体性能,基于正力330Wh/kg的电芯,它的系统质量密度能够做到260Wh/kg;体积比能由于极柱卡接的存在会稍低,能够达到70%左右。整包带电量基于目前的方案,可达到120kWh以上,整包在Z向空间上的利用在110-140mm之间。

(2)极柱散热,乾坤电池采用的是电芯顶面和底部两个面进行散热,其中电芯顶面又是采用的对极柱直接散热。我们知道,采用卷绕形式的方形电芯,从散热率上来看,顶部和底部这种Z向的散热率是高于水平方向上的大面冷却的,但是散热面积上小于大面。因此,至于是选择Z向的冷却还是大面的冷却,要看每家不同的设计,最终比较出哪种冷却效果好。不过,由于在大功率充放电时,极柱的发热量是较大的,所以这里对极柱直接进行散热,效果会相对好些,总体能够提升58%的冷却效率。

这里可以看出,电芯极柱、以及与之配套的榫卯卡接结构技术是极有挑战性的,因为在这个配合面上,它功能的集成,要同时满足电连接、结构固定、冷却这三个重要特性,安全可靠性是难点所在。

图.乾坤电池榫卯结构配合面示意图

(3)冷板与上盖、下箱体分别集成,这样在保证冷却效果的同时,能够最大限度的降低对Z向空间的占用,同时也进一步提高轻量化。

图. 乾坤电池冷板的上下集成

(4)热电分离技术,这个是近两年的一个趋势方案了,乾坤电池整包采用的是电芯倒置,电芯本身则是极柱与防爆阀在异侧。由于防爆阀仍然朝上,所以乾坤电池在防爆阀上方设计了一个排泄通道,可以快速将热失控的排放导出去。

(5)超级快充,这个是整体技术方案带来的效果,包扩电芯本身、极柱冷却、上下双重冷却,最大可以实现6C的快充速度。

图.乾坤电池6C快充

 

3、正力新能的「3•2•1」研发战略

乾坤电池是正力新能在5月9号的发布会上亮相的产品,是他们「3•2•1」研发战略中关键一环。

图.正力新能「3·2·1」研发战略图谱

这里的“3”指的是三种电芯材料体系,分别为:超高镍多元材料、复合型磷酸盐材料、新型碱金属材料(主要是钠离子材料、钾离子材料);

“2”是指两种结构形式,正力新能选择的是方形和大圆柱路线,大圆柱包括46系列和66系列,从当前的信息来看,46系列的电芯,从成本上可能依旧没有方形电芯有优势,需要进一步做大,这应该是正力新能推66系列大圆柱的一个初衷;

“1”是指一种电池系统即乾坤电池,可以覆盖在动力上的应用和储能上的应用。

正力新能此次的发布会,除了乾坤电池,在电芯上它的航空电芯(320Wh/kg,12C)和储能电芯(314Ah,12000循环寿命)也极有特色,如有更多信息我们后续再跟进下。