锂电池在电动汽车中的应用 - 3

2025年6月10日，宁德时代在上海举办587技术日，发布新一代储能电芯，并详细介绍了背后的设计考虑，本篇文章将从技术角度分享宁德时代设计该款电芯的具体细节，可以作为不错的学习资料，欢迎感兴趣的小伙伴转发和收藏。 首先，如何去实现高能量密度？ 传统的解决方案其实是通过简单的把电芯尺寸给放大，或者是将这个空间塞得更满,从而去达到更高的能量密度，也就是所谓的卷尺寸卷空间。但是，这样会极限的压缩电芯内部的空间，这样会引发可靠性以及寿命的问题，比如防爆阀可能会提前开裂，壳体会提前破裂，还有应力集中等一系列的问题。所以为了不牺牲这种可靠性和寿命，CATL选择了攻坚克难，聚焦化学体系的创新。比如在正极材料方面，CATL通过堆积密度的设计，还有高致密的包覆，快离子通道的构筑，助力了高能量密度的达成。CATL用领先一代的化学体系，可以实现434瓦时每升，将上一代产品能量密度可以提升10%。 能量密度的突破仅仅是起点，为了让每一份真实的能量能够被高效的利用，另外比较关键的指标就是能量效率，也就是能量转化效率，也就是通常所说的RTE。 影响RTE的核心就是能量没有按照正常的路径去转化成化学能，而是用热量的形式去散失。根据大家耳熟能详的这个焦耳定律，热量是跟电流和电阻相关的，大电芯就意味着大容量，也就意味着大电流。另一方面，在充电过程中就存在着极化，这个极化就会导致阻抗。从电化学的角度，这个阻抗是分为三种类型，欧姆极化、反应极化和浓差极化，这三个极化对RTE有比较大的影响。如果尺寸在刚开始选择不合理，比如设计的过高或者过宽，就会导致电子的迁移路径会变长，换句话说，也就机械内阻会变大，就会形成天然的短板，进一步降低RTE。通过仿真，CATL发现比较关键的规律，也就是电芯的内阻，会随着这个电芯宽度变化的规律，会呈现出典型的浴盆曲线的特性。比如电芯过高或者过窄，都会恶化它对应的性能。CATL研究发现，200~300mm这个尺寸区间才是电芯宽度的黄金区间。 为了解决容量与RTE冲突的问题，CATL技术突破的路径也非常明确，也就是如何去解决这3种情况，首先针对欧姆极化，CATL设计了极简的过流路径，同时匹配最短的电子迁移路径，可以将机械内阻降低30%，从而大幅改善欧姆极化带来的产热的影响。在化学体系方面，CATL通过优化电解液、石墨以及两项界面的稳定性，降低反应阻抗。另外，CATL又结合离子的掺杂的技术，可以大幅降低磷酸铁锂的本征相变的极化，从基因上大幅减少它对应的材料带来的极化。最后，在极片设计方面，通过极片层，CATL基于费克扩散定律，开发了梯度的孔隙结构设计，实现了锂离子的快速运输，从而可以大幅降低对应的极化。综合以上三方面的突破，CATL可以将587电芯的初始RTE做到96.5%。 当然，除了这个初始RTE，CATL也很关注全生命周期内RTE的衰减，因为他们对全生命周期的吞吐量是有极大的影响。CATL通过对阳极副反应机制的深入探究，创新的开发了阻抗增长的抑制技术。通过对全生命周期SEI组分的调控，延缓了SEI的增厚，抑制了高阻抗产物的生成，从而实现全生命周期内RTE的缓衰减，为客户和业主创造更大的价值。 当然，储能的本质其实是电量的存储，电芯寿命决定了储能全生命周期内的收益。 CATL在跟客户交流的过程中收到了反馈，就是说为什么市面上有些普通的产品两到三年就会快速的衰减。其实看了左边的这个图，我相信大家就理解了，因为储能电芯的寿命分布存在很大的扫把型，那怎么样去保证把这个扫把做的尽量小？那为什么会出现这个扫把型？这是因为电芯的寿命是复杂因素，并且耦合时间的综合的结果。而大电芯，它的寿命的离散程度其实是会更大。这是因为电芯增大之后，尤其是尺寸，如果设计不合理，过高或者过宽，就容易出现应力集中、电解液以及产气分布不均匀的问题。这些不一致性会导致电流密度分布不均匀。根据电化学基础原理，电压差和浓度差是驱动锂离子迁移的动力，所以这些不一致性会引起锂离子的非正常分布，整体会引发电芯寿命的风险，如果是析锂的话，进一步会导致安全的隐患。 那综合以上因素的考量，CATL从可靠性工程的角度和电化学理论基础，来进行对客户对产品寿命的承诺。首先，电芯寿命和可靠性的本质其实是确定性规律和不确定因素的综合体现。一方面，寿命的整体衰减，是具有确定性的，主要是因为这个性能的衰减有指定的对应的机理，对应的函数，也就叫做性能的函数。同时，CATL在设计的时候，又要考虑到性能与失效阈值之间存在的距离，这个CATL称之为裕度的函数。所以，这些因素是可以通过物理建模和工程分析的手段进行预测和控制。另一方面，寿命的可靠性也受多种不确定因素的共同影响，比如在过程中制造的波动，材料的离散性，还有使用条件的变化，以及环境的扰动，这些综合因素都会使性能退化的速率，或者裕量实际的分布发生显著的波动。综上，面对电芯系统，不仅要深入研究电芯寿命衰减的退化的机制。与设计裕度之间确定性的规律，还需要量化并且评估各类不确定性对可靠性结果的综合影响。可以构建这种多维度可信赖的寿命可靠性模型，从而保证寿命的可靠性。 同时，CATL又从这种电化学基础的角度，通过计算得到电芯特征高度的范围，耦合仿真，CATL可以分析得到极片上电流密度分布的均匀性，从而得出最优的尺寸范围。综上，CATL可以从尺寸这个基因上，规避不一致性导致的局部的压差所引发的寿命风险，以及潜在的安全隐患。 那选定好电芯尺寸之后，如何进一步去提升寿命？ 因为大电芯的分散度更高，首先要把这个分散度收敛，同时要进一步把这个寿命进一步提升。在这里，CATL是抓住两个方面，第一是电解液，第二是从负极的界面作为切入点，聚焦本征锂耗的改善。一方面，使用CATL发明的自修复的阴离子电解液技术，建立可抑制放电过程中SEI分解，和充电过程中SEI应力破损的高韧性界面。另一方面，开发了多功能基因复配这种基团，可以复配这种缓衰减的成膜剂，在负极颗粒表面可以原位的构建这种快离子通道的钝化层。在改变这个结构的同时，可以降低石墨表面的缺陷，从而可以实现寿命的大幅提升。 同时，寿命的提升又离不开充分的测试验证，CATL深耕储能多年，早已完成了，大家熟知的280安时循环的实测的结果，左边的曲线就是实测的万次循环的曲线。基于此，CATL可以建立庞大的实测数据库，在完善技术路径的同时，依托内部强大的实测数据库，从而被建立更精准的寿命模型，能够为客户提供更精准的寿命曲线。以上这些维度的协同优化，共同铸就了587安时在性能上的优势。然而，卓越的性能仅仅是基础，储能的本质是与时间同行，可靠性才是价值衡量的标尺。 针对可靠性，就像在储能电芯失效的占比中，自放电的占比可以高达70%。 那自放电的失效比例高，不但决定了储能电池的使用寿命，它还会影响整个系统，降低年平均运行天数，又会带来高额的维护成本。那如何从电芯设计的角度去解决这个问题？首先要明确，影响自放电的关键因素。从设计的角度，物理切单位和毛刺的数量是关键因素之一，所以CATL在设计587的时候，就采用最先进的卷绕技术，能够大幅的减少这种物理切单位以及毛刺，从而使自放电故障率可以降低一个数量级，使业主在全生命周期内实现更高的在线率，实现更高的收益。 最后也是最重要的，就是安全。 对于储能产品来说，安全没有99分，只有0分和100分。从电芯设计的角度讲，尺寸扩大确实是带来了能量密度的提升，但是同时给安全带来了严重的挑战，因为它在滥用过程中，热量和高温气体的累积，是导致电芯热失控的关键因素。容量增大导致了在滥用过程中这种急剧的产气，以及产热量的积累，对电芯的定向泄压以及系统的热扩散会带来极限的挑战。如果是再耦合上尺寸设计不合理，会进一步去影响电芯的散热以及传热，会加剧这些气体这些热量的累积，使电芯在滥用过程中的燃爆风险进一步增加。因此，在实现高性能的同时，始终具备可靠的安全保障。 CATL持续对大电芯安全和材料本征安全深入的研究。 为了实现安全，CATL构建了三维的防御体系，从产热的源头解决尺寸带来的安全恶化。CATL发明了高安全电极液，无扩散的阳极以及耐热隔膜。可以实现大电芯的本征以及滥用安全阀值的大幅提升。现在CATL 587安时的电芯，已经通过了GBT 36276以及GB 44240的严格测试，能够做到过充、热失控、针 刺等滥用场景下不起火、不爆炸。在当前整个行业热衷于追求大尺寸、大容量的背景下，我们必须保持清醒的认知，任何忽略储能、电芯安全性和可靠性的所谓的创新，都将是对产品本质的背离，只有坚守真实的能量的初心，才能做出更安全、更可靠的产品。CATL相信587电芯不是容量最大的电芯，但是一定是经得起时间、安全和效益三重验证的储能下一代真实能量的大电芯。来源：小明来电