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產業技術評析

領導廠商動見觀瞻-寧德時代電動車動力電池技術動態
發表日期:2024-02-14
作者:王星淳(工研院)
摘要:
隨能源電動化的發展下,近年來電動車發展議題越來越多,其中做為電動車心臟的電池發展動向與技術也是廣受大家關注。

全文:

一、2021~2023年寧德時代為全球電芯主要供應廠商

隨能源電動化的發展下,近年來電動車發展議題越來越多,其中做為電動車心臟的電池發展動向與技術也是廣受大家關注,根據B3 report指出,2022年前三名電池供應商分別為寧德時代(以下簡稱CATL)、LGES以及比亞迪(以下簡稱BYD),出貨量為145GWh(占整體31.6%)、68GWh(占整體14.8%)以及60GWh(占整體13.0%),由此可以觀察出全球動力電池供應現況,以CATL為全球主要供應商,且主要客戶有Tesla、Volkswagen、Volvo以及中國各大電動車商等(如圖1)。不過鋰電池技術發展面向多元,且無固定發展或應用規格,也因此近年來各項電芯技術眾多,每項技術的改良與突破一直為各大廠商關注重點,而CATL在電動車電池模組設計上,不論材料、電芯、模組等技術發展與動向長期領先業界,使得近年來的發布會消息受到高度關注,如2023年4月宣布開發500Wh/kg的凝聚態半固態電池技術;7月中國極氪汽車開始銷售搭載CATL的麒麟電池與CTP3.0技術;8月發布會上宣布4C神行超充電池的問世,以及年底量產計畫。每一項訊息都有著相當高的討論度。由於發布訊息眾多,部分技術仍在開發階段,因此本篇針對已具商業化的商品與技術進行評析,像是已用在極氪電動車中的麒麟電池與Cell to Pack第三代技術(以下簡稱CTP3.0)以及即將商業化的4C神行超充電池。

圖1 2022年全球電池廠與車廠供應狀況關係圖

資料來源:B3 Report(2023/03)
圖1、2022年全球電池廠與車廠供應狀況關係圖
 

二、寧德時代電芯技術

(一) 寧德時代麒麟電池與CTP3.0結合技術

CATL於2022年發布第一款麒麟電池,其電芯以方型外觀為主,尺寸為39*200*120mm,重量為2.3kg,電芯內部材料技術設計主要應用正極材料NCM系列搭配負極人造石墨,此電芯裝車技術需搭配自家所開發的CTP3.0技術,使整車設計上捨去模組化系統,進一步降低整體重量以及提高車底的體積利用率,使能量密度從前一代的200Wh/kg提升至250Wh/kg,達到能量密度提升的效果。

CTP技術由CATL於2019年提出第一代版本,且隨著不斷優化與改進,CTP技術來到3.0版本,改善前兩代電芯在裝車上的設計,使車底的電芯安裝數量增加,並於散熱設計上橫排電芯間加裝多功能水冷板,具快速導熱與結構穩定特性,達到均勻降溫與底盤耐衝擊能力,更使體積利用率從55%提升至72%,使整車電容量、續航力等性能得以提升(如圖2)。在2022年發布會中所提到的麒麟電池設計技術,希望藉由將電芯倒放的方式,使電芯極耳與底盤進行連接,用意在於將電芯熱量向下導出並結合水冷裝置提升導熱效果,以及進一步將連接通訊裝置、配線以及底盤進行整合,更進一步提升體積利用率。(如圖3)
 

圖2 CATL CTP3.0規格特點

資料來源:CATL公司資料(2022/06)
圖2、CATL CTP3.0規格特點
 

圖3 麒麟電池電芯安裝設計與水冷設計概念

資料來源:CATL公司資料(2022/06)
圖3、麒麟電池電芯安裝設計與水冷設計概念
 

2023年麒麟電池成功導入於極氪009車款中,極氪009為MPV車型(轎式休旅車),結合麒麟電池技術,車款主打續航力可達822公里,整車電容量為140kWh,快充方面以2C快充為主,10~80%約28min完成,且電芯以2並108串的形式緊密排列,電芯與電芯間在以多功能水冷板進行隔開,才能達到體積利用率的提升,且多功能水冷板取代部份橫縱樑結構,加上耐衝擊的功能,達到保護電芯的效果(如圖4)。但在電芯設計方面則與當初構想的CTP3.0設計概念也些改變,由於極耳的電壓傳輸與洩壓閥同側設計仍有熱失控疑慮,因此採用自家開發的NP2.0技術(無熱擴散技術),此項技術在於改善傳統方型電池的上蓋極耳與洩壓閥的同側設計。傳統電芯在發生熱失控時,電芯內部所產生的壓力與火焰會由上蓋洩壓閥排出,此時上方的通訊線、電子元件等皆會受到高溫氣體與火焰的傷害,進而引發嚴重的燃燒現象。而NP2.0技術則將洩壓閥的位置改設計於下蓋,當電芯發生熱失控時,氣體與火焰將於下方排出,再藉由底部氣體導流設計,進一步減緩電芯熱失控所引發的連鎖反應,進而提升安全性 (如圖5)。
 

圖4 極氪009 CTP安裝示意圖(左)與實際圖(右)

資料來源:CATL公司資料;E-CoreChannel頻道(2023/08)
圖4、極氪009 CTP安裝示意圖(左)與實際圖(右)
 

圖5、麒麟電池NP2.0設計概念

資料來源:CATL公司資料(2022/08)
圖5、麒麟電池NP2.0設計概念
 

(二) 2023年發布4C神行超充電池

2023年8月,CATL首度發布4C神行電池,主打4C快充技術的突破,使新技術電池可達到10min行駛400公里的能力,並達到700公里以上的續航能力,大大減緩消費者在里程上的焦慮以及充電效率差的問題。但要達到這項技術,CATL也宣布此款電池產品設計是採用磷酸鋰鐵正極材料(以下簡稱LFP),才能在高速充電下達到穩定,並結合自家的NP1.0外殼設計技術以及CTP3.0技術,使安全性能、體積利用率、整車能量密度等的提升,官方公布此項技術能將 LFP電池能量密度達到200Wh/kg,與一般LFP電池設計高出10~30%。(如圖6)
 

圖6 神行超充電池官宣示意圖

資料來源:CATL公司資料(2023/08)
圖6、神行超充電池官宣示意圖
 

神行電池的關鍵技術,在於穩定電芯內的電化學反應,為達到此項概念,CATL更聚焦在電芯內各材料的技術突破,方可使LFP的性能有進一步的提升,在發布會上也公開內部各項材料的研究成果,以下也將一一進行說明:
 

  • 超電子網正極技術:以鋰離子在正極材料中嵌入/嵌出的速度提升作為發展方向,神行超充電池正極是使用LFP材料,並將材料顆粒尺寸達到奈米等級,縮短鋰離子嵌入/嵌出的途徑,並進一步創造顆粒與顆粒間的電子傳輸路徑,降低鋰離子與電子遷移時的阻力,達到快速充電的效果。(如圖7)


圖7 超電子網正極技術概念圖

資料來源:CATL公司資料(2023/08)
圖7、超電子網正極技術概念圖
 

  • 石墨快離子環技術:CATL採用自家所開發的第二代快離子環技術,對石墨進行表面修飾,使石墨顆粒能具有特定離子遷移通道,縮短離子傳遞距離,以及達到提升離子附著效率。另外,在負極極片設計上,採用濃度梯度分層設計,進而達到快充與續航力的平衡。(如圖8)
     

圖8 石墨快充離子環技術概念圖

資料來源:CATL公司資料(2023/08)
圖8、石墨快充離子環技術概念圖
 

  • 超高導電解液配方:在電解液設計上,為達到快充能力,需使鋰離子在溶液中擴散順暢,因此CATL針對此項目的開發新款超高導電解液配方,有效降低電解液黏度,並且更提升液體導電率,以及鋰離子去溶劑化能力,達到降低傳遞阻力。另外,電解液的配方與負極表面所形成的固體電解質介面膜(Solid Electrolyte Interphase,以下簡稱SEI膜)的生成有很大關係,CATL也藉由新的電解液配方達到超薄化的SEI膜的生成,更進一步降低傳導阻力。(如圖9)
     

圖9 超高導電解液配方(上)與超薄SEI膜技術(下)概念圖

資料來源:CATL公司資料(2023/08)
圖9、超高導電解液配方(上)與超薄SEI膜技術(下)概念圖
 

  • 高孔隙率隔離膜:CATL藉由提升隔離膜的高孔隙率以及減少隔離膜內部迂迴的傳遞通道,進而改善鋰離子通過隔離膜的傳遞速率。(如圖10)
     

圖10 高孔隙率隔離膜技術概念圖

資料來源:CATL公司資料(2023/08)
圖10、高孔隙率隔離膜技術概念圖
 

CATL更進一步說明,藉由材料的技術突破再加上其他技術的結合,使得神行超充電池的綜合性能得以提升。像是在續航能力上,除材料的技術能力提升外,並結合CTP3.0技術,開創出一體化組成,達到高集成性、高組成效率等,進而突破LFP的應用性能,使系列電動車續航力可達700公里以上;在環境溫度下的操作能力,常溫狀態下可實現10min 80% SOC、15min 100% SOC的快充能力。另外,再藉由電芯溫控技術,在低溫環境下實行快速升溫,使-10oC環境下經由內部升溫可在30min內完成 80% SOC的充電能力;在安全性能方面,透過電解液與隔離膜的改良,加上自家發展多年的智慧監控系統,針對電池的安全壽命、溫度等皆進行嚴格控制,進而提升電池的安全性能。在發布會上CATL乘用車事業部技術長宣布,此款神行超充電池產品,在歷年的研發投入與經驗累積的發展下,計畫將在2023年年底實現量產,並預計將搭載神行超充電池的電動車於2024年第一季上市。

三、小結

綜合以上敘述,CATL在鋰電池的材料、電芯、CTP技術等都有相當大的突破,且進一步的分析,可以瞭解到CTP3.0技術與NP技術設計皆是為了三元電池的應用布局,由極氪009 MPV車款訊息中可以看出CATL在電芯與整車安全上的設計有很大的更動,如洩壓閥與極耳的同側設計分開,底盤也設置氣體排放孔等,使硬體上安全性能大大提升。軟體上則藉由精準控制與溫度控制,隨時穩定電芯的運作狀況,大幅降低三元電池的安全疑慮但又保留電池的性能,才能讓整車能量密度與續航有所突破。

而神行電池的設計則是主打LFP應用領域,由於三元電池的成本高昂以及原料容易出現供應失衡現象,因此LFP在動力電池發展上在近年來逐漸受到重視,但LFP先天缺陷在於能量密度遠低於三元電池,使得能量密度的提升一直是各大廠商努力發展目標。此次推出的神行電池主打材料間的研發突破以及材料間的適配性,使得此項產品穩定度與性能得以提升,達到4C快充的能力,相較於目前主要市售電芯快充設計能力約在1~2C快充,有著相當大的突破,而能量密度則可達到200Wh/kg,也與傳統LFP電池設計高出10~30%的能力。

CATL在三元電池與LFP電池的設計上都有了相對應的措施,且現階段三元電池已裝車進行應用,而LFP電池也預計將在2023年底進行量產,2024年第一季進行上車驗證。根據CATL所發布的消息,皆將各項技術細節一一公布,且依照CATL先前的技術量能與發展動態,技術的可實行程度相當大,若如預期的發展來看,未來也將提供終端應用廠商更多產品的設計方向,以及也提供發展LFP電池的廠商們有更多的發展目標,後續的動態我們也將持續關注。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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