软包锂电池成组技术讨论｜软包电芯的成组路径|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

技术讨论｜软包电芯的成组路径

在软包电池的迭代上，过往LG能源两次的召回带来的影响特别大，尤其是在全球导入EVS-GTR的要求，都有5分钟预警的要求。对于电池热失控，目前圆柱电池和方壳电池都是朝着No Propogation（NP）的目标来做的，因此我们看到目前全球的方案主要分为几类：

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软刀： 这个其实类似比亚迪那种，多个电芯串联转入壳体。这个其实也有变种，类似做一个非金属的壳体支架，来做这种成组设计。

● 短刀和长刀： 给电芯裹上绝缘膜以后装入方壳电池，然后按照双端出的办法来做。

● 大模组或者Module In Pack的概念： 把水冷板集成到模组里面，做2-4个超大模组，这样也能实现比较高的成组率。

● SPS： 这次孚能发布的设计，我们重点来看下。

我是觉得下一步全球做电池方案，短刀和长刀方案成为主流的设计，孚能这个到底行不行我们仔细来看看。

▲图1.全球的方案

Part 1

成组方案

这个全新动力电池解决方案叫SPS（Super Pouch Solution），大软包电芯、大软包电池系统、大软包电池制造，我觉得这三个能串起来，回收这个我是没看到串起来的特性。

▲图2.大软包电芯、系统和制造三个环节

这个设计原理，有点像上汽的魔方电池，由于大软包电芯比较薄，所以卧式布置设计的孚能科技SPS，这里确实更容易调配一些。按照孚能的说法，可以使电池系统部件减少50%，材料成本降低33%，提升体积利用率到75%。

▲图3.设计特性

这种设计，是给软包电芯做个壳体，然后让他们堆叠在一起。高效液冷板和导热片的复合使用给大软包电芯提供了“双面液冷，三面传热”的高效热交换，电池系统的散热效率提升4倍。这个和之前AESC的差异，最主要是说，大软包电芯形成6面防护，配以高效排气通道的设计和热交换能力，SPS大软包电池系统配置8系或更高镍含量的电芯，单体电芯的热失控不扩散（NO TP），这个我理解是一颗挂了以后，一个堆叠的模组烧起来，但是整体不烧，和魔方电池是一摸一样的。

▲图4.软包大模组的设计

▲图5.热失控下电芯的特点

Part 2

电芯和成组的兼容性

在这里，电芯的设计改变主要是通过全极耳、多极耳大软包动力电芯，因此可以通过Tab的输出来做一些特殊的处理，在Tab这边降低一些链接阻抗。电芯的设计方向：

● 一种是具备从2.4C到5C甚至更高的充放电倍率（2.4C、3C和4C三种倍率快充电芯，对应带电量150kWh、100kWh和75kWh）。

● 另一种是应用半固态电解质，降低液态电解液的用量，提升电芯的本征安全，做高能量密度电芯。

所以这种做法，是在以上的NP设计中，去对材料体系的高度兼容，覆盖高镍三元到低镍富锂锰、磷酸锰铁锂、钠离子等材料体系。

钠离子电池、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂等计划在2023年推出第一代产品，目标是到2030年将钠离子220Wh/kg，磷酸铁锂和磷酸锰铁锂的能量密度形成从200Wh/kg到240Wh/kg的产品覆盖。

低镍方面，在2024年推出250Wh/kg的低镍富锰体系产品， 2030年290Wh/kg。

备注：这里能把高镍做好了就挺好的。

▲图6.不同的兼容性，基本和CATL的路线图差异不大

当然半固态大软包电芯直接集成于系统底盘，这种方式我是没看懂，不过我的理解就是一个个块堆起来，整个方式是不变的。

反正好处是换电芯和换堆叠高度（调节卧式布置的大软包电芯厚度，灵活调节电池系统的底盘高度），来兼容SUV和轿车（85mm到145mm）。这个在方壳设计的魔方电池上面，也做过尝试，但是方壳兼容来做不同厚度就是不同电芯，叠片会更容易点。

▲图7.设计出不同的弹性

小结：我觉得之前LG给GM的跑车做的堆叠方式，其实和这个有点类似，缺点是能量密度没做太高，可能隔热的材料加的少，主要是需要用比较性价比高的材料做隔热填充，并且通过外部的水冷系统持续散热，可能能做到NP吧。

全固态电芯的新结构形态：软包+方形的混合体

通常来看，电芯有三种基本结构形式：圆柱电芯，软包电芯和方形电芯。那么，有没有第四种形态呢？

QuantumScape就推出了这第四形态，它们把这种形态称之为FlexFrame，是一种兼具软包和方形电芯特性的混合体。

1、QuantumScape

没错，就是前几天热炒的，推出的全固态电池并且经大众汽车测试经历了 1000 多次充放循环，仍然保持了超过 95% 的初始容量的QuantumScape（量子景观）。

量子景观这家公司起源于斯担福大学，是一家致力于研究锂金属固态电池的公司，它在新能源汽车领域比较知名的一个因素是大众汽车投资了它。

我们知道，传统的锂离子电芯，大体上有以下几个构成部分（自下而上）：正极集流体（铝箔），电解液，正极材料（LFP，NCM等），隔膜，电解液，负极材料（石墨，硅等），负极集流体（铜箔）。

▲传统的锂离子电芯结构示意图

在进行充放电时，锂离子穿过隔膜，在正负极之间来回移动，而电解液就是让锂离子在正负极之间能够移动的介质。

而量子景观的锂金属全固态电池相对于传统的锂离子电池少了负极材料这一层结构，这是因为当充电时，锂离子移动到负极这一侧可以锂金属的独立形态存在，而不需要额外的“结构（原负极材料形成的嵌入式空间结构）”来“存放”锂离子。

▲量子景观的锂金属固态电芯组成示意图

这样就可以节省很多空间，提高电芯的体积密度和质量密度。同时，由于锂金属属于活性很强的元素，不能直接接触到液体电解质，因此，锂金属电池只能使用固态电解质。

因此，在很长的一段时间内，量子景观的主要研发重点是找到合适的固态隔膜，量子景观目前的解决方案是一种基于陶瓷的固体隔膜。

2、FlexFrame电芯结构

相对于锂离子电池，锂金属固态电池还有一个问题，那就是在充放电过程中，电芯的体积膨胀问题。

针对这个问题，量子景观开发了一种新型的电芯结构形态，将其称为FlexFrame结构，这是一种结合了软包电芯和方形电芯结构特性的结构体。

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▲FlexFrame是一种软包+方形电芯混合体

FlexFrame核心的结构是它的框架和电芯正面、背面的压板，框架使得整个电芯能够保持一定的结构强度，便于成组和保护裸电芯体，而正面和背面的压板侧类似于软包电芯的铝塑膜，它将整个电芯体+框架密封起来。在结构上，根据不同层数，设计有中心板，层与层之间还可以有隔垫。压板和框架形成的凹进去结构，可以通过预制成型，也可以通过抽真空，这样这个凹下去的结构在电芯放电膨胀时可以向外膨胀，比如有20%的膨胀空间。