在繼大眾、豐田發布他們專門電池策略之后,最近寶馬也發布了他最新的池技術以及策略路線圖,大眾的電池策略和其平臺化一樣講究通用和標準。豐田的電池策略(點擊了解豐田的電動化策略-電池的開發與供應鏈)更偏向于供應鏈和產業化。本文將借用寶馬的官方發布資料從以下幾個方面進行解讀:

 

Backgroud - 寶馬的電動化宏圖

Why-為什么電池電芯重要

How-寶馬是怎么做的

What-寶馬的電池電芯路線以及策略是怎么樣的

希望能給你一些電池的基本知識或者產業,技術啟發

 

寶馬的電動化宏圖寶馬計劃在本十年末生產至少1000萬輛電動汽車,到2030年的寶馬計劃每臺車使用期間降低一半的碳排放量,每臺車整個生命周期降低40%的碳排放量,平均每臺車的二次材料使用會占到50%。

 

 

寶馬應對電氣化的策略是,三電系統采用內部研發的方案,具體寶馬當前怎么產品落地的可以看看我們之前文章寶馬汽車平臺架構的電氣化以及i4和iX產品解讀。本文重點放在其電池電芯系統。

 

 

為什么電池電芯技術重要寶馬分析認為未來電動車的成本中電池包的成本將會占到40%,電池包的20%來自于模組以及系統成本,20%來自于電芯的生產,80%來自于電池材料。

 

 

對于消費者感知方面,電池關系到整車的關鍵屬性(了解什么叫屬性和性能可以點擊整車開發流程-完結篇),例如整車的續航時間,充電時間,駕駛功率,同時價格。對于工程方面還包括了安全,能量比,功率比。

 

所以對于寶馬這類整車廠必須重視電池電芯技術。

 

HOW寶馬是怎么做的寶馬主要致力于研究產品和流程的創新,供應商來實施產業化。

 

 

寶馬的電池研究包括,基礎工作原理,材料,電氣零部件,電芯。

 

寶馬從2008年開始就致力于鋰電池的研究,2012年就開始建立專門的電池研發項目,2017年開始建立寶馬電池電芯部門,2020年開始建立電芯的試制生產。

 

 

目前電池相關工作人員超過300人,有43個在研項目,與相關機構,大學,創業公司,其他OEM,其他產業廣泛合作。目前建設有材料特性,化學開發,配方研發,性能和安全測試,失效分析等實驗室。電芯試制和量產試制工廠。寶馬電池技術還考慮以下兩個方面:電池的整個生命周期,整個其實和大眾發布的電池戰略一致(可以點擊了解大眾電池系統解決方案以及未來趨勢),從原材料的采礦和提純,材料的量產質量,電芯的開發,電芯量產,電池模組開發和量產,電池工廠投產使用,電池二次使用和分解,材料的回收利用。各個步驟進行關注和管控。

 

 

電池的技術趨勢以及法規,總結就是考慮三個方面,設計,安全,環保。在設計方面目前電池目前主要是材料到電芯到模組再到電池包的模式,未來的發展會是更高度布置密度,例如直接電芯到電池包,電芯直接到底盤。在安全方面,當前中國法規要求比較特殊和苛刻寶馬特別強調了一點中國的五分鐘不起火不爆炸要求,并指出未來可能趨勢是40分鐘并可能直接阻燃。環保目前沒有嚴格的強制要求,但寶馬視為責任并強調歐盟可能會有碳排放g/kwh的限制,原料回收和回收率的要求。

 

 

WHAT 寶馬的電池電芯路線圖是怎么樣的所以寶馬根據自己的原則和當前的技術和法規趨勢制定了寶馬的電池電芯技術路線圖,分性能提升,成本降低,固態電池三個路徑。

 

 

對于強調成本的部分,LFP磷酸鐵鋰電池將會應用在中國也不排除北美的相對基礎車型上面,另外在降低成本上面第一步推行去鈷化,第二步去鈷低鎳等,富鋰錳等,但LFP的能量密度基本不會有太大的變化;在提升性能方面采取富鎳方案,未來第一步會采用氧化硅/石墨,第二步采用高硅陽極等,碳化硅化合物(其實本次廣州車展上小鵬G9 以及廣汽Aion LX plus 就采用了以上材料來實現超1000km的續航和超高快速充電,了解廣州車展亮點車型點擊通過廣州車展-看自動駕駛激光雷達。)。固態電池未來將會把能量比推向一個新的高度。電池材料以及電芯的開發趨勢,電池的分正極和負極兩種材料。

 

 

陽極材料的應用有:石墨  360 mAh/g

 

石墨和氧化硅 500-600 mAh/g碳化硅組成 1200 mAh/g陰極材料目前都是三元材料我們之前文章有講到三元材料的不同主要是NMC(鎳,錳,鈷)三種材料的配比不同,后面三位數字分別代表配比,例如111就是配比一樣,811就是鎳80%,錳10&,鈷10%。

 

NMC111 150 mAh/gNMC 532,622 180 mAh/gNMC 811 210 mAh/gNi 含量高于90% 230 mAh/g電池的穩定性主要由負極材料例如鎳的豐富決定,成本和性能由硅陽極決定,所以寶馬認為他們材料的應用會和電極和電芯設計趨勢相兼容。未來電極設計的趨勢:

  • 增加負載,限制于功率的要求優化涂層,減少未涂層的部分,當然限制于制造公差以及安全問題。

 

電芯設計趨勢:

  • 擴容,充分利用凝膠卷到電芯空間(其中方式由堆棧到纏繞,分別由風險和成本的限制)
  • 提升包裝密度(風險點為膨脹力)
  • 減少鋁箔銅箔等隔膜的厚度(風險點是操作性和安全)
  • 增加電芯的大小,提升活躍空間的比例(風險同樣是安全)

 

電芯的制造分為三個步驟:

  • 混合涂層
  • 壓縮碾壓
  • 切割

 

 

當前制造電芯的典型挑戰和風險有:

  • 保護涂層和隔離結構損壞
    最終電極能量比達不到
    電芯裝配要求難以達到(例如裝配車間影響)

 

寶馬針對以上的防范措施有:

  • 優化涂層配方,優化陰極材料粉末密度,調整粘合劑
    箔基片必須小心選擇
    碾軋流程優化

 

磷酸鐵鋰的復興,磷酸鐵鋰特點是放電容量大,價格低廉,無毒性,不造成環境污染,且產業價格相對較低,但致命的缺點是能量密度相對較低。

 

 

寶馬將繼續采用磷酸鐵鋰材料,通過優化電芯以及模組的設計來確保對于寶馬進入車型的吸引力。

 

固態電池,當前先進的電池主要采用石墨硅陽極,NMC材料的負極,液態電解液,多空阻隔隔膜。下一代固態電池,陽極采用鋰金屬,陰極采用NMC材料,電解液為氧化劑聚合物硫化物固態電解液

 

 

它與當前電池的差異主要是兩方面:

  • 電解液由液態變為固態可以增加固有安全性用鋰金屬陽極取代石墨或者碳化物來增加能量密度
    采用固態電池帶來的潛力有:更高的安全性,可以使用更高性能的材料,更大的電芯,減少二次安全測量的包裝固態電解液支持電芯概念的創新(雙極電芯)鋰金屬陽極帶來更高的能量密度

 

存在的挑戰有:

  • 必要的壓力來穩定接口確保長生命周期
    不同的熱管理需求(更傾向于保溫而非散熱)
    充電和非充電時候鋰金屬的能量變化
    鋰金屬陽極的容量比
    制造以及使用中穩健的材料系統

 

總結就是固態電池帶來更好的安全和能量比潛力,但是成本目前不明,目前大家都在驗證,產業化之前必須先有積極的概念證明。

 

總結

 

寶馬其實還是算比較講究技術的公司,發布的電池技術以及策略相比其他企業篇幅更多在技術,所以本文讀下來能獲取從電池的組成以及各種材料的優缺點等相關技術知識到產業方向的知識。

 

 

主要參考文章:

寶馬電池技術-寶馬

寶馬原材料環保管理-寶馬

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