三元锂刚弄懂，四元锂电池又是什么鬼？容量、寿命、安全性突飞猛进
说起来这已经是我第三次参加蜂巢新能源的活动了，在见识到了 9DCT 和 50% 热效率的发动机；参观了保定的蜂巢能源工厂之后，我又来到了常州，参加蜂巢能源的金坛车规级动力电池 AI 工厂的开工仪式。
车规级？ AI ？什么意思？
先来简单了解下这座工厂：蜂巢能源位于金坛的工厂建筑面积 54 万平方米，投资 80 亿元，产值达超 130 亿元，分三期建设，总产能规划 18 GWh。本次投产的一期项目规划产能 4 GWh，二期项目规划产能 8 GWh，预计 2020 年年底投产，随后将进行三期 6 GWh 产能的建设。
而蜂巢能源拥有汽车动力电池材料、电芯、模组、PACK、BMS、大容量储能系统及太阳能研发和制造的能力，未来不光会为自家欧拉、长城、WEY 、炮品牌提供动力，还会涉及国产汽车企业及欧美市场和高端 OEM（俗称代工）配套体系。按照这个目标，未来金坛工厂的地位不言而喻。
看到这个工厂的“Title”，可能大家会好奇“车规级”和“AI”到底体现在什么方面，既然你是个电动车电池工厂，难不成还要自降身份做消费级的产品？
其实我们大可以把“车规级”理解为一个更高更强的标准体系，毕竟一辆电动车所需要的电池是传统消费电子电池 200 倍以上，使用的温度和环境也大不相同，所以需要高一致性，低容错率，高性能，高安全性，高可靠性等特殊特性的电池。蜂巢能源的目的是把车用锂电池的标准竖起来，与消费级工艺和标准拉开距离，让消费者用上更安心的产品。
至于“AI”，更多的是体现在智能化的质量检测上，传统消费类电池的生产仅在部分工序使用 AI 技术，采用 MES 系统管控，管控因子一般在 1500 个左右，而蜂巢能源应用 AI 智能技术，形成了更加完备的制程追溯系统，通过人、机、料、法、环、测、时间等 7 维制程管控，实现过程超过 2500 个因子的监控，并可追溯到单电芯每个制程的过程数据，利用 AI 智能寻找最佳参数，从而降低故障率，提高设备稼动率，从制程因素方面降低电芯安全失效的风险。
一张图了解电池工艺步骤
这张工厂车间平面图虽然看起来花里胡哨的，但其实非常清晰地表明了电池生产的步骤，前部分是电芯的生产过程，后部分是电芯的组装。
由于这部分内容我在之前的文章有详细的介绍，这里就不多说了，总之做电芯就是做虎皮蛋糕，想多了解的可以点这里回顾一下。
有哪些产品？
目前欧拉 R1 和明年亮相的 R2、WEY P8、WEY VV7 家族、电动版炮皮卡等产品都用的是蜂巢能源的电池，未来据说光束汽车的电池也会由蜂巢能源来提供。
虽说自家产品用的是方块电池，但蜂巢能源的目标毕竟是星辰大海，对于市面上主流的软包电池也有布局，并且对于各种能量密度、容量的电池都有所准备。
四元电池、无钴电池和叠片
比起智能化的工厂，蜂巢新能源给我感触最深的还是他们对未来的规划，这是我在其他车企的活动上很少看见的。
总的来说，蜂巢能源的未来围绕着四元电池、无钴电池和叠片工艺稳步前行。
相信我不用再给大家解释什么是三元电池，不过四元电池还是要解释一下的，NCMA 四元材料的做法，是在高镍三元的基础上增加铝元素，同时改变石墨负极的常规做法，增加硅碳层，使得负极嵌入和脱出离子的能力以及在高倍率充放电时枝晶产生的概率大大降低。
据介绍，相较于 NCM811 材料，四元材料最终呈现在动力电池上就是容量更高、寿命更长、安全性更好。相关产品蜂巢计划于 2022 年 11 月开始 SOP。
另外是无钴电池，之前我们讲过，钴金属很贵，并且全球 66％ 钴产量都出自政局不稳定的刚果（金）。并且钴元素并不参与电化学反应，所以在高镍的同时，降低钴含量，是提升能量密度和降低成本的好方法。
电芯无钴化关键技术有两个，一是掺杂无未成对的电子自旋的特定元素，减弱电子超交换的现象，降低 Li/Ni 混排（关于阳离子混排，点击这里了解），提高电性能；二是掺杂 M-O 键能大的元素，减缓晶体在充放电过程的体积变化，稳定结构，提高循环寿命和安全性。
无钴电池不仅能提高电性能，还能提升寿命和提高安全性，一举两得。无钴材料性能可以达到 NCM811 同等水平，材料成本降低 5~15%，相应带来的电芯 BOM 成本可以降低约 5%，且会让材料不受战略资源影响。蜂巢能源预计将在年底前完成材料开发，在2020年3月完成材料体系的进一步优化，4月实现材料中试，8 月体系定型，2021 年 11 月将实现无钴电芯的 SOP。
左边表示正常的锂离子、镍离子位置，右边是发生了阳离子混排的情况
至于叠片工艺，我在之前的文章也介绍过，是类似千层饼的电芯排列方式，对比目前流行的、技术成熟的卷绕式（类似花卷），拥有能量密度高、结构稳定性好、安全性好和循环寿命长的特点。而蜂巢能源的“高速叠片”工艺，最大的优点就是快，传统叠片工艺效率为每片 1 s，而蜂巢的一期产线已将效率提升至单工位 0.6 s ，二期可实现 0.45 s 高速叠片，并且还在开发单工位 0.25 s 的超高速叠片工艺。
邦点评
此次金坛工厂开工仪式，并不是像之前我们参观保定的工厂一样，是个小而精的技术解读，要我说的开工仪式是个大而美的开始，这一个下午我们经历了两个群访+工厂参观+开工仪式，可想而知每个项目都是走马观花一笔带过。
但这反倒让我对蜂巢乃至长城的未来计划有了更明确的认识，目前的欧拉剑走偏锋但反响不错，WEY 的插混车型也懂得顺势而为不再高高在上，光束汽车这两天刚出来喜讯，蜂巢刚成立不久就拿到了不少订单……让长城的新能源看起来和他的 SUV 一样前景辽阔，这也需要长城自己拥有完整的三电技术制造和生产储备，才能更好地应对未来的发展，蜂巢能源任重而道远，不过我们相信它的实力。
电动邦
三元锂电池寿命及优缺点
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
什么是三元锂电池?
在自然界中，锂元素是最轻的，原子质量最小的金属，它的原子量为6.94g/mol，ρ=0.53g/cm3。锂化学性质活泼，极易失去电子被氧化为Li+，因此标准电极电位最负，为-3.045V，电化学当量最小，为0.26g/Ah，锂元素的这些特点决定了它是一种具有很高比能量的材料。三元锂电池是指采用镍钴锰三种过渡金属氧化物为正极材料的锂二次电池。 它充分综合了钴酸锂良好的循环性能、镍酸锂的高比容量和锰酸锂的高安全性及低成本等特点，利用分子水平混合、掺杂、包覆和表面修饰等方法合成镍钴锰等多元素协同的复合嵌锂氧化物。是目前被广泛研究和应用的一种锂离子可充电电池。
三元锂电池寿命
所谓锂电池寿命是指电池在使用过一段时间后，容量衰减为标称容量（室温25℃，标准大气压，且以0.2C放电的电池容量）的70%，即可认为寿命终止。行业内一般以锂电池满充满放的循环次数来计算循环寿命。在使用的过程中，锂电池内部会发生不可逆的电化学反应导致容量下降，比如电解液的分解，活性材料的失活，正负极结构的坍塌导致锂离子嵌入和脱嵌的数量减少等等。实验标明，更高倍率的放电会导致容量更快的衰减，如果放电电流较低，电池电压会接近平衡电压，能释放出更多的能量。
三元锂电池的理论寿命约为800次循环，在商业化的可充电锂电池中属于中等。磷酸铁锂约为2000次，而钛酸锂据说可以达到1万次循环。目前主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中承诺大于500次（标准条件下充放电），但是电芯在配组做成电池包后，由于一致性问题，主要是电压和内阻不可能完全一样，其循环寿命大约为400次。厂家推荐SOC使用窗口为10%~90%，不建议进行深度充放电，不然会对电池的正负极结构造成不可逆的损伤，若是以浅充浅放来计算的话，循环寿命至少有1000次。另外，锂电池若是经常在高倍率和高温环境下放电，电池寿命会大幅下降到不足200次。
三元锂电池优缺点
三元锂电池在容量与安全性方面比较均衡，是一款综合性能优异的电池。三种金属元素的主要作用和优缺点如下：
Co3+：减少阳离子混合占位，稳定材料的层状结构，降低阻抗值，提高电导率，提高循环和倍率性能。
Ni2+：可提高材料的容量（提高材料的体积能量密度），而由于Li和Ni相似的半径，过多的Ni也会因为与Li发生位错现象导致锂镍混排，锂层中镍离子浓度越大，锂在层状结构中的脱嵌越难，导致电化学性能变差。
Mn4+：不仅可以降低材料成本，而且还可以提高材料的安全性和稳定性。但过高的Mn含量会容易出现尖晶石相而破坏层状结构，使容量降低，循环衰减。
能量密度高是三元锂电池的最大优势，而电压平台是电池能量密度的重要指标，决定着电池的基本效能和成本，电压平台越高，比容量越大，所以同样体积、重量，甚至同样安时的电池，电压平台比较高的三元材料锂电池续航时间更长。单体三元锂电池放电电压平台高达3.7V，磷酸铁锂为3.2V，而钛酸锂仅为2.3V，因此从能量密度角度来说，三元锂电池比磷酸铁锂，锰酸锂或者钛酸锂具有绝对优势。
安全性较差和循环寿命较短是三元锂电池的主要短板，尤其是安全性能，是一直限制其大规模配组，和大规模集成应用的一个主要因素。大量实测表明，容量较大的三元电池很难通过针刺和过充等安全性测试，这也是大容量电池中一般都要多引入锰元素，甚至混合锰酸锂一起使用的原因。500次的循环寿命在锂电池中属于中等偏下，因此三元锂电池目前最主要的应用领域是3C数码等消费类电子产品。
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