全极耳技术“突破”大圆柱电池“出击”

摘要

顶尖车企相继“牵手”大圆柱电池，正引领行业新风向。

GGII最新数据显示，2022年1-10月，全球新能源车合计销售763.8万辆，同比增长61%。一方面，新能源车渗透率正不断提高，已接近30%；另一方面，锂电池作为新能源车的“核心”，与新能源车“同频共振”，1-10月合计装机量369.81GWh。

动力电池保“量”，更要保“质”，由于新能源车对安全性能、续航里程、充电速度等要求在不断提高，哪种形态的电芯最适合新能源汽车应用是目前热议的话题，新能源车市场正倒逼电池企业不断更新突破电池技术、不断推出创新优质的电池产品。

就当下而言，方形电池、软包电池、圆柱电池优势各异，是目前动力电池市场的三大主流产品。其中，圆柱电池凭借着在成本、性能与安全等方面的优势，备受市场关注，这主要由于其单体和电池包结构特性，单体体积最小，便于热管理，可以灵活利用异形空间，高度标准化的形态利于平台化及迭代。

此外，圆柱电池单独外壳保护和独立泄压装置，具有多重保障；电芯蜂窝状排列，空隙保障了足够大的单体与外部热交换面积；更重要的是，其中心对称的圆形结构可以在全生命周期有效束缚内部极片的膨胀，使得电芯外部不发生任何形变。

从市场来看，今年4月，特斯拉向客户交付了第一批配备无极耳4680 电池的 Model Y车辆；近期，特斯拉消息称，其4680电池团队实现了86.8万/周的电池制造实力，可支持装备1000多辆Model Y车型。

无独有偶，宝马集团也宣布，将从2025年起率先在“新世代”车型中使用46系大圆柱全极耳电池。顶尖车企相继“牵手”大圆柱电池，正引领行业新风向。

全极耳技术“突破”大圆柱电池“出击”

然而，在此前一段时间内，圆柱电池囿于尺寸及容量问题，应用场景受限。电池放电过程中电流通过铜箔、铝箔汇集，并通过极耳导出到外电路，由于电阻的存在，电池在充放电的过程中不利于电流传导，电池充放电时极易导致局部热量过大，存在安全隐患。

此外，由于电芯尺寸做大，特别是大电流充放电的过程中会产生显著的欧姆热，引起电池温度的升高，越粗越大的电芯发热越多、散热越难，进而影响充电速度。

因此，如何解决电芯尺寸做大和发热减少的悖论成为其中关键。经过行业的不断研究，“全极耳”技术成为解决圆柱电芯的功率性能、安全问题瓶颈的关键所在。

具体来看，全极耳电池是利用全极耳结构进行连接和导流的新型电池，将电芯极片与集流盘通过激光技术进行本材连接，使极片与盖板之间过电流能力不低于极片本身，从而大幅提升电池过电流能力、降低电池发热量，突破了圆柱电池的瓶颈。

技术突破下，Panasonic、LG Chem、Samsung SDI和比克电池等国内外电池制造商已经确认大圆柱电池的开发。值得一提的是，比克作为国内首发4680全极耳大圆柱电池的电池企业，已开始规划大尺寸圆柱电池量产生产基地，量产指日可待。

从产品矩阵来看，比克大圆柱电池的产品包括46系、3x系和26系等系列，电芯高度覆盖70mm到160mm，应用范围十分广泛。值得一提的是，比克大圆柱电池得到了多方实验验证，其材料体系可解决能量密度问题，进而解决续航问题；全极耳设计则大幅降低了内阻，进而对安全保障起到了重要影响。

“快充+热管理”认证比克大圆柱“领跑”行业

此前，国际老牌能源类顶级杂志《Journal of Power Sources》发表了“全极耳大圆柱锂离子电池在不同环境条件下的快速充电性能和最佳热管理”文章，是锂电行业内首篇使用真实商业化的全极耳大圆柱电池验证数字模型结论的文章。

该权威论文使用的全极耳大圆柱电池由比克提供，作者基于专门为汽车高性能应用设计的、成熟的比克全极耳大圆柱电池，建立了热-电-电化学耦合模型，探究了该电芯的最优化充电时间和热管理策略。

在严苛的实验条件下，比克全极耳大圆柱电池表现优异：在20°C环境下，可11分53秒内将电池从10%充到80%；在零下20°C环境下，可将10%-80%的快充时间优化到15分58秒的水平。

总的来看，比克电池在该实验中实现了不到12分钟从10%充电到80% SOC 的快速充电时间，快充性能相比常规单极耳电芯可实现三倍提升，相当于520公里续航里程，展示了比克全极耳大圆柱电池的巨大潜力。此外，比克电池在快速充电过程，没有发生析锂现象。

结构设计方面，比克大圆柱电池在全极耳设计下，采用了钢壳的外壳材质，配套了单独外壳保护和独立泄压装置，通过定向泄压技术，比克全极耳大圆柱电池可以做到整车层面零热扩散，保证电池包整体的安全和电池全生命周期品质的始终如一，热管理问题得到大幅改善。

与此同时，由于全极耳结构设计的独特性，大圆柱电池在材料系统的探索上更为大胆，高镍三元正极材料、硅基负极材料等在大圆柱电池上的使用更为广泛，其能量密度也得到了大幅提升。

正极材料方面，比克全极耳大圆柱电池正极镍含量已由Ni50提升到Ni90，容量持续提升，18650电芯量产最高容量达3.5Ah，21700电芯量产最高容量达5.3Ah，再次突破了21700系列电芯量产容量极限。

负极材料方面，比克电池较早开始对硅用圆柱电池负极材料进行研究。目前，比克硅氧材料由一代硅已发展到三代硅，将首效由77%提升至86%，基本达到与正极效率匹配。

在对新材料系统的探索下，安全方面问题也不容忽视。相比石墨材料，硅基材料在充放电过程中，会产生巨大的体积膨胀，高达300%，而圆柱电池通常采用钢壳，机械强度大，有着很好的束缚力，能够有效抑制硅的膨胀形成天然屏障。

产品与产能共振比克“多线”布局大圆柱

大圆柱电池能够在保障安全和足够的续航里程的基础上，进一步提升快充性能，助力电动车使用体验媲美燃油车。在此情况下，大圆柱电池产能需要配合当下高速增长的新能源车市场。

比克电池作为国内较早一批研究全极耳大圆柱电池的企业，自2021年初在国内率先发布全极耳大圆柱电池至今，比克电池在大圆柱电池技术研发和市场化推进上态势强劲，订单和意向客户持续增加，比克大圆柱产品矩阵包括46系、3x系和26系等。

具体来看，比克46系电芯去年开始陆续有样品批量交付，性能表现符合预期，依据8-15分钟的不同快充能力，目前电芯能量密度在280Wh/kg至330Wh/kg之间。

比克26系则以26105铝壳电芯为主，目前处于B样阶段，应用于整车可达700公里以上续航，快充12分钟以内可达500公里续航，量产后能量密度将高达290Wh/kg。

比克3x系则处于二者之间，是比克为了进一步综合优化性能、成本、系统设计等因素在开发的新平台。

为迎接即将到来的大圆柱电池扩产潮，比克电池提前规划，未来几年，比克将分两个阶段在海内外扩充80GWh的电池产能。同时，比克也将持续向碳中和目标迈进，打造零碳工厂，满足碳排放和碳足迹的需求，以行业领先水平为目标，持续减少碳排放，积极探索电池全生命周期碳中和路径。

据不完全统计，截止2022年有近60家企业正在进行圆柱全极耳电池的研发和中试测试，有10余家基本已经走到量产阶段；与此同时，材料、设备等上下游企业也正加码高镍、硅负极等材料布局，加速对全极耳技术的设备导入。从行业整体来看，全极耳大圆柱电池量产或将在2023年迎来高速增长。

审核编辑 ：李倩