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比亚迪六棱柱电池 是特斯拉4680电池的真正对手吗?

【EV视界原创】在我们的认知中,特斯拉作为一家技术发展比较“极端”的电动汽车企业,总是能在某些技术方面做出惊人的举动,就比如它所采用的无极耳4680电池等。当然,在电池技术上,作为全球电动汽车发展最为迅猛且领先的咱们,在这方面自然也不甘落后。

在之前的一份关于动力电池的专利说明中,我们看到了来自比亚迪最新的棱柱体电池专利。从专利图上我们能够看出,整个电池的排列就和“蜂巢”一样,由多个六边形棱柱体拼合而成。那么,这款电池与特斯拉的4680相比,又有着怎样的特点呢?本期E说就懂,就来聊聊。

我们先来说说比亚迪这款最新的六棱柱电池。

首先,这款电池为什么会被设计成六边形棱柱形状?是为了与市面上常见的圆柱电池有所区分而做的“样子”吗?其实并不然。

在我们人类发展的历史长河中,大多数的科学技术发现都是源自于自然,而这个六边形也是如此。蜜蜂大家应该都见过吧,它们所工作居住的蜂房的外形就是我们常见到的六边形。

一般来说,蜂房是由无数个大小相同的房孔组成,每个房孔都是正六边形,且都被其它房孔包围,两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。为什会是正六边形呢?首先,我们知道在所有的形状中,等边三角形是最为坚固的结构,而将两个坚固的等边三角形左右排列,则得出了一个等边的正六边形,也就是蜂巢的结构。而蜜蜂的身体基本上是圆柱形,蜂在房孔内既不会有多余的空间又不感到拥挤。

所以这又得出了一个结论,六边形的蜂窝组合不仅坚固,还是最节省空间的方式之一。

蜂窝结构的优点也被运用在运输或者装饰方面的纸板之上

回到比亚迪的这款新型电池,其最大的特点就是如同蜂窝一样,采用了正六边形棱柱结构。根据专利上的数据显示,其整个壳体(盖体+壳体)的高度在60-150mm之间,壳体内接圆直径在15-60mm之间。值得一提的是,专利中还提到:“壳体的高度可以为90mm,壳体1的内接圆直径可以为40mm”,而根据电池的命名规则,我们可以称这款电池为“4090电池”。作为参考,特斯拉4680电池的高度为80mm,直径为46mm。

那么,这款六棱柱的“4090电池”,相比特斯拉的4680电池,能带来怎样的优势?我们先从这两款电池的运用场景说起。

目前的纯电动车型在技术的不断迭代发展后,在提高车辆的续航方面,除了寄托在电池材料上的研发外,在电池包的优化结构设计上,也做出了相应的技术发展。因为在整个电池包中,还包含了电池管理系统、热管理系统、高低压回路等部件,它们的分布占据了电池系统的部分重量和内部空间,其成组效率在60%~70%!也就是说你买了一套房,这60%-70%只是你的使用面积,而剩下的为公摊面积。根据国内某企业作出的论断,一个单体能量密度突破300Wh/kg的电芯,因为受限于传统电池包的成组方式,电池系统层面的能量密度仍处于160Wh/kg左右。

所以,通过优化电池包的内部结构,抛去或者简化一些构建,来扩展空间容下更多电池,这样就能有效的提高电池包整体的容量,这其中比较有代表性就是特斯拉的CTC与比亚迪的CTB技术。

特斯拉的CTC技术英文全称为Cell To Chassis,中文翻译是电池底盘一体化。特斯拉将电池被交错平铺在车身底盘之中,其中电芯正极朝上放置,在正极端完成电芯的串并联连接,而在电芯之间设置了蛇形管,以对电芯的侧面进行冷却。所以也就是说,特斯拉直接把电芯排列在底盘上,而电池舱前后直接连接起两个车身大型铸件,座舱地板没有了,以电池上盖代替,座椅直接安装在电池上盖上。

而比亚迪的CTB技术,也就是Cell To Body电池车身一体化技术,它将全部电芯集成在车身上,其电池上盖替代了车内地板的一部分,并与前后横梁形成一个平整密封的完全体用来隔离乘员舱。如此看来,比亚迪将电池系统作为一个整体与车身集成,而电池本身的密封及防水要求可以得到满足,电池与成员舱的密封也相对简单,风险可控。

所以,这两款电池技术最统一的特点,就是将电池完全平铺在车辆的底盘或者靠着底盘的位置之上,基本上其承载的不止是车辆电池容量的大小,更多的是成为了车身结构件的一部分,所以对于电池单体的强度要求就非常的高。

我们接着把话题绕回来,一个是特斯拉的4680圆柱体电池,另一个是比亚迪六边棱柱体“4090电池”,它们在底盘电池的运用方面有啥不一样呢?

首先,在结构强度上,4680圆柱单体电池一起组合时,相邻两个圆柱单体电池之间的空间较大,会使得圆柱电池组的机械稳定性不够,在受到外界振动或冲击时会非常容易造成短路或破损现象,严重影响了车辆的安全。而六边棱柱体“4090电池”,在成组之后,由于其六边形的结构,可以使得电池单体之前没有缝隙,由此提升了电池组的结构强度。另外,有消息称六边棱柱体“4090电池”的外壳材质有可能采用铝合金。这样既能保证动力电池的强度,又可以减轻电池包的重量。这种高强度电池包的意义不仅在安全性方面,说不定也将是比亚迪未来的发展趋势。

不过有人说,你可以用方形电池啊,这样不也可以去除电池之间的空隙吗?其实方壳单体电池则在组合后虽然稳定性较好且坚固,但方壳单体电池的体积过大,换热效率低,热管理难度较大,且长期使用下电芯膨胀问题难以解决。并且,在对于电池类型的选择上,小体积的单体电池会拥有更多的适应性,通用性强,而方形电池则由于单体太大,所以在适应性上就比较保守,通用性稍逊一些。

那除了电池强度外,4680圆柱单体电池与六边棱柱体“4090电池”在其它方面也有着不一样的属性。我们之前在讲述蜂窝结构的时候提到,由于采用六边形结构,因此内部的空间要比圆形更多。因此,采用六边棱柱体的“4090电池”乐意容纳更多的电解液,以延长极芯的使用寿命,同时在将多个电池连接为电池模组时,也有效提高了外部空间利用率。

另外,两款电池在电芯正负极极片上,也有着截然不同的构造。

从专利图上来看,比亚迪六边棱柱体“4090电池”电芯的正负极都设计在这一个盖体中。其中,中心位置的圆柱形为负极,外圈的三个凸起长方体是正极。由于负极端子设在中央与周围的三个间隔设置的正极端子距离相等,因此可以保证每个正极和负极之间的电阻相等,进而可以保证电池的均温性,同时也极大程度地缩短了电子的传导路径。

这就相当于,传统的电芯单体只有一个极耳,而这就相当于一座大写字楼只有一部电梯。而比亚迪的六边棱柱体“4090电池”的三极耳结构就相当于在一座写字楼中有三部电梯,所以人员上下楼的速度要更快,电子流通也就更顺快。

另外,一般来说,电芯在工作的时候会产生大量的热,而电芯发热则集中在正极区域,所以比亚迪将其放置在同一侧,这对于散热而言,可以更多强化单侧即可,增加了布局的灵活性。除此之外,比亚迪六边棱柱体“4090电池”单体相邻之间设有散热件,相邻两个电池产生的热量可以通过散热件进行散热,从而可以增大电池的散热面积,提高电池模组的换热效率,不过现在暂不知道散热件的具体布置结构是什么样式的,但基本上都会使用技术比较成熟的液冷来进行电池降温。

不过,有一点要说的是,由于采用了更为紧密的蜂窝结构,因此比亚迪这款电池的电芯之间基本处于背靠背的状态,因此热传递会非常的迅速。而特斯拉的4680虽然在电池排列上会有很多的空隙,但是这个空隙之间的空气会起到一个热阻效果,因此会缓解热传递的发生。但比亚迪现在主要的电池材料为磷酸铁锂。而该类型电池在充放电时本身所产生的热量要低于三元锂电池,所以也就或多或少减小了热传递的速度。

特斯拉的4680电池则采用了无极耳方式,其实无极耳只是一个“夸张”的说法,它还是有极耳的。只不过它都集中到了一边,所以更确切的称呼应该是全极耳设计。要知道,目前常见的电芯都是“果冻卷设计”样式, 这是一种将阴极、阳极和隔板卷在一起,通过阴极耳和阳极耳连接到电池容器的正极和负极端子。这样设计的好处就是将正负极集流体与盖板壳体直接连接,从而成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离。同时大幅降低电池内阻,减少发热量延长电池寿命,并提高充放电峰值功率。

另外,在电池包内部,所采用的蛇形管的布置与车桥方向平行,可以减少蛇形管长度,从而减少流阻,增加冷却的均匀性。并且在电芯一侧配备了八个泄压阀,几乎遍布电池包的侧面,这样做的好处是,一旦发生了热失控,能够快速打开泄压阀,降低电池起火风险。

最后,再说一下这两款电池的制造工艺。

首先,比亚迪六边棱柱体“4090电池”与特斯拉的4680电池均采用圆柱卷绕极芯工艺,其相比传统叠片工艺具有电焊容易,生产相对简单的优势。

另外,比亚迪六边棱柱体“4090电池”由于采用有极耳设计,因此在制造方面要相对的简单许多。而特斯拉的4680由于采用了全极耳设计,其制作工艺有切叠法和揉平法两种。切叠法是特斯拉采用的一种解决方案,主要通过斜切成片卷起,表面起伏较大,容易造成极耳因接触程度不一致,内阻一致性差。此外,当电解液注入时,由于两端都被极耳封闭,无法连续注液生产。揉平法是中国国内企业广泛使用的一种方案,这种方法通过超声波或机械摩擦将极耳揉成端面。极耳在压平过程中,容易产生金属碎屑,导致电芯自放电过大,甚至内部短路。此外,揉平后端面较致密,电解液难以进入电芯内部。这些都将成为提高电池生产率的难题。

所以在极耳的制造方面,比亚迪六边棱柱体“4090电池”似乎要比特斯拉的4680要更容易些。

写在最后:

综合而言,比亚迪的六棱柱电池在结构强度、能量密度与制造工艺方面要更优于特斯拉的4680电池,但是因采用更为密实的排列方式,因此比亚迪的六棱柱电池在散热方面的效果还是比较存疑的。不过如果这款电池如果继续采用磷酸铁锂材料的话,相信这一问题也不会对电池有太大影响。

不过整体来看,相比特斯拉已经装配上车的4680电池,比亚迪推出的这款六棱柱电池在最终的产品落地上还需进一步的发展,特别是在正极材料方面。虽然现阶段磷酸铁锂电池大约比三元便宜10-20%,但是三元动力电池原材料价格高起是短期现象,从材料元素储备量上来看,未来三元电池原材料价格一定会回归正常水平,到那时候磷酸铁锂的成本优势或许会消失,再加上磷酸铁锂能量密度比较低,不符合未来动力电池续航里程要求越来越高的趋势,所以比亚迪应该会考虑到未来电池市场的格局变化,对于高镍或其他类型的高密度电池进行深入研发,来满足市场的需求,因此这款六棱柱电池或多或少只是一个对未来布局的桥梁而已。

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