2022年2月以來(lái)，俄烏沖突局勢(shì)逐步升級(jí)，提高了世界各國(guó)對(duì)能源問(wèn)題的關(guān)注。雖然油氣的實(shí)際供需暫未受較大影響，但市場(chǎng)的擔(dān)憂刺激國(guó)際能源價(jià)格一路走高。劇烈的油價(jià)波動(dòng)牽動(dòng)著千家萬(wàn)戶，人們對(duì)新能源汽車的熱情和期待空前高漲。

據(jù)此，本文從國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)中不得不提及的龍頭寧德時(shí)代和比亞迪出發(fā)，圍繞核心部件動(dòng)力電池“鋰電池”，以專利的角度看看二者的技術(shù)差異，以期為消費(fèi)者提供更多的信息。

寧德時(shí)代VS比亞迪

作為國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)龍頭之一，比亞迪始終堅(jiān)持磷酸鐵鋰電池，并于2020年推出代表作“刀片電池”：刀片電池“在體積比能量密度上比傳統(tǒng)鋰電池提升了50%，具有高安全、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，整車壽命可達(dá)百萬(wàn)公里以上”。相較之下，寧德時(shí)代自2017年后憑借三元鋰電池的價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸趕超比亞迪。近日，在2022中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱表示，寧德時(shí)代通過(guò)不斷技術(shù)迭代，推出了第三代 CTP 技術(shù)，內(nèi)部稱其為“麒麟電池”，并稱該電池在各個(gè)指標(biāo)上的能量密度都將引領(lǐng)行業(yè)最高水平。在相同的化學(xué)體系、同等電池包尺寸下，麒麟電池包的電量，相比特斯拉4680系統(tǒng)可以提升13%。2022年3月30日，寧德時(shí)代入選美國(guó)《時(shí)代》周刊（TIME）“最有影響力的100家企業(yè)”榜單。

圖1 寧德時(shí)代入選TIME周刊封面

能量PK：麒麟電池 VS 刀片電池

一般電動(dòng)汽車上搭載的電池包，由電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝到電池包（Pack）里，形成了“電芯（Cell）— 模組（Module）— 電池包（Pack）”的三級(jí)裝配模式。而CTP，即Cell to Pack，即取消模組，電芯直接集成為電池包。模組越多，零部件越多，成組效率也就越低，反過(guò)來(lái)，少了模組，電池包的整體重量減輕，電池包的能量密度提升，零部件減少，生產(chǎn)效率也隨之提高。目前CTP有兩種技術(shù)路線，一種是以大模組替代小模組的方式，代表為寧德時(shí)代的麒麟電池；另一種則采用完全無(wú)模組方式，代表為比亞迪的刀片電池。深入了解CTP技術(shù)，就要弄清楚模組的作用。

所謂模組，是將部分相關(guān)零部件構(gòu)成一個(gè)模塊，也可理解為一個(gè)零部件集合、總成的概念。在電池包領(lǐng)域，將若干電芯、導(dǎo)電排、采樣單元及一些必要的結(jié)構(gòu)支撐部件集成在一起構(gòu)成一個(gè)模塊，也叫模組。去掉模組后，其關(guān)聯(lián)的高壓線纜、通訊線纜、冷卻/預(yù)熱循環(huán)管路、BMS監(jiān)測(cè)模塊、溫度傳感器、電流傳感器等設(shè)備，都要進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)或重新布設(shè)。

麒麟電池

寧德時(shí)代麒麟電池技術(shù)基于高鎳三元鋰架構(gòu)，其核心是減少模組數(shù)量，直接由多個(gè)大容量電芯組成標(biāo)準(zhǔn)化電池包，再靈活堆疊組成更大的電池模塊，適應(yīng)不同車款的儲(chǔ)能需要。如下圖所示，其主要亮點(diǎn)是在模組與模組間采用一種套筒的連接方式緊貼在一起，同時(shí)套筒下有固定裝置與整車相連，這樣整個(gè)模組簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電池包輕量化，也提高了電池包在整車的連接強(qiáng)度。（CN209658278U，電池包）

圖2 寧德時(shí)代麒麟電池內(nèi)部堆疊示意圖

從以上分析可以看到，寧德時(shí)代采用大電芯和大模組，主要對(duì)電池包內(nèi)部的連接進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，省去了中間過(guò)程的零部件，從而簡(jiǎn)化裝配工藝和流程。其優(yōu)勢(shì)主要有三點(diǎn)：第一，CTP電池包因?yàn)闆](méi)有標(biāo)準(zhǔn)模組限制，可以用在不同車型上，使用廣泛；第二，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)組件，CTP電池包能提高體積利用率，系統(tǒng)能量密度也間接提升；第三，其散熱效果要高于目前小模組電池包。

刀片電池

圖3 比亞迪刀片電池包組裝示意圖及傳統(tǒng)電池組

由圖3可知，右側(cè)為傳統(tǒng)電池組采用的是圓柱形狀的單體電池，堆載在一塊之間的間隙較大，浪費(fèi)了大量空間。左側(cè)為比亞迪的“刀片電池”，主要基于其所擅長(zhǎng)的磷酸鐵鋰技術(shù)，采用自家研發(fā)的長(zhǎng)度大于0.6米的大電芯，電池單體同樣向大容量進(jìn)化，但電芯形狀更加扁平、窄?。ㄩL(zhǎng)邊可以定制變化，單體最大穩(wěn)定長(zhǎng)度可以達(dá)到2500mm），通過(guò)陣列的方式排布在一起，就像“刀片”一樣插入到電池包里，這也是大家稱之為“刀片電池”的原因。

可以直觀地看到“刀片電池”回路更長(zhǎng)，表面積更大，散熱效果更好，也省去較多支撐結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)排布方式的空間利用率提高了近20%。（CN110379963B，動(dòng)力電池包及電動(dòng)車；CN110165116B，電池包，車輛和儲(chǔ)能裝置）

表1 麒麟電池與刀片電池性能對(duì)比

上表從設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)過(guò)程、生產(chǎn)效率，電池包體積能量密度、電池包質(zhì)量能量密度、電池包結(jié)構(gòu)件數(shù)量和成本等角度對(duì)麒麟電池和比亞迪電池做了對(duì)比分析，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，二者相同之處在于都是改變電池系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，把模組減少或省掉。不同之處則在于寧德時(shí)代不改變電芯的形狀，而“刀片電池”則改變了電芯的尺寸。寧德時(shí)代的技術(shù)，注重自上而下的設(shè)計(jì)思路，在沒(méi)有改變電芯尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)模組和電池包進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)大幅縮減零部件，減輕重量，大規(guī)模應(yīng)用后有望顯著降低材料及生產(chǎn)成本。比亞迪的“刀片電池”技術(shù)，注重自下而上的思路，創(chuàng)新性地提出把電芯長(zhǎng)度做長(zhǎng)（600mm-2500mm），厚度做薄，呈現(xiàn)“扁平”和“長(zhǎng)條”形狀，利用電芯本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)提高散熱性，提供承載力，充當(dāng)結(jié)構(gòu)件。

得益于新技術(shù)的應(yīng)用和電池包物理結(jié)構(gòu)的調(diào)整，刀片電池的體積能量密度相比過(guò)去能提升50%，不同規(guī)格的電芯體積能量密度分別達(dá)到了439Wh/L~450 Wh/L，其單電芯質(zhì)量能量密度達(dá)到180Wh/kg，裝配成電池包后系統(tǒng)能量密度為140Wh/kg。盡管刀片電池體積能量密度比提升明顯，但麒麟電池的電池包質(zhì)量能量密度能達(dá)到250Wh/kg以上。可見(jiàn)，刀片電池在質(zhì)量能量密度上要稍微遜色些。

值得注意的是，對(duì)于動(dòng)力電池（包）而言，考慮到乘用車的底盤空間有限，特別是一些對(duì)底盤偏矮的轎車/跑車來(lái)說(shuō)，體積能量密度是最直接最有效的研究判斷指標(biāo)，而不是只執(zhí)著于質(zhì)量能量密度。

綜上，刀片電池和麒麟電池在電池體積能量密度和質(zhì)量能量密度上各有優(yōu)勢(shì)，誰(shuí)勝誰(shuí)負(fù)，暫未可知。

安全性能PK：麒麟電池 VS 刀片電池

除了能量密度之外，消費(fèi)者更關(guān)心的少不了動(dòng)力電池的安全性。對(duì)于兩種電池的安全性能的PK，不得不提及針刺實(shí)驗(yàn)。2020年1月，比亞迪董事長(zhǎng)兼總裁王傳福在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2020）上首次公開(kāi)證實(shí)，“刀片電池”將于該年3月量產(chǎn)問(wèn)世。

此后比亞迪公開(kāi)了關(guān)于刀片電池的針刺實(shí)驗(yàn)，其選取當(dāng)時(shí)純電動(dòng)汽車最為流行的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池作為試驗(yàn)比照對(duì)象。如圖4不難看出，三元鋰電池的表現(xiàn)最為慘烈，普通的磷酸鐵鋰塊狀電池表現(xiàn)稍好，“刀片電池”在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)最為出色。雞蛋形狀肉眼觀察到的變化不大，電池既沒(méi)有出現(xiàn)明火爆炸，也沒(méi)有冒煙，表面的溫度控制在30~60℃之間。

圖4 比亞迪針刺實(shí)驗(yàn)效果圖

（引自比亞迪公開(kāi)視頻截圖）

刀片電池自前年的針刺試驗(yàn)后名聲大噪，經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間的檢驗(yàn)，已經(jīng)獲得越來(lái)越多新能源車制造商的認(rèn)可。相比之下，寧德時(shí)代第三代CTP技術(shù)下的麒麟電池，伴隨著無(wú)熱擴(kuò)散技術(shù)推出，不免讓人又有了些許遐想空間。

對(duì)于動(dòng)力電池的安全性，往往會(huì)考慮到動(dòng)力電池的熱管理，下面我們從專利角度看看二者在熱管理方面的異同。比亞迪和寧德時(shí)代都提供了水冷和風(fēng)冷兩種方案。其中家用車為水冷方案。

圖5 比亞迪刀片電池結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5所示，“刀片電池”的水冷方案是把水冷板放在整個(gè)電池包的上面，與模組頂板直接接觸，對(duì)電芯側(cè)面窄邊進(jìn)行冷卻。同時(shí)，為提高導(dǎo)熱效率，模組頂板與電芯側(cè)面之間有導(dǎo)熱板，整個(gè)包的溫度差控制在1℃以內(nèi)。

此外，電芯的另一側(cè)面與模組底部之間有隔熱層，以隔絕電芯與外界的熱交換，起到保溫作用。對(duì)于熱失控情況，比亞迪“刀片電池”的處理思路是：正對(duì)著防爆閥設(shè)計(jì)進(jìn)氣孔，將熱失控發(fā)生后的氣體、火焰等引導(dǎo)到排氣通道，經(jīng)排氣通道排向周圍環(huán)境。（CN110416451B，電池容納裝置和電動(dòng)車）

圖6 比亞迪刀片電池包邊框結(jié)構(gòu)放大圖

而寧德時(shí)代的水冷方案與其之前的熱管理方式相同，是把水冷板放在整個(gè)電池包的下面，與模組底板直接接觸，對(duì)電芯進(jìn)行冷卻。與此同時(shí)，為提高導(dǎo)熱效率，電芯的側(cè)面、殼體里面填充導(dǎo)熱膠。此外，在電芯側(cè)壁和電芯殼體間內(nèi)置壓力或者溫度傳感器，提前探測(cè)熱失控。（CN209071461U，熱管理裝置及電池包）

圖7 寧德時(shí)代電池包熱管理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

從硬件層面來(lái)看，比亞迪刀片電池為電池包設(shè)計(jì)了新的排氣孔和排氣通道，避免火焰、煙霧或氣體聚集在模組內(nèi)，對(duì)電芯造成二次傷害。

綜上，雖然針刺試驗(yàn)結(jié)果不能完全代表電池組的安全性，但在消費(fèi)者的眼中，針刺試驗(yàn)就是一項(xiàng)“量化”好了的標(biāo)準(zhǔn)。麒麟電池能否遏制刀片電池的狂奔，目前下結(jié)論還為時(shí)尚早。

總結(jié)

綜上所述，從能量角度出發(fā)，無(wú)論是比亞迪“刀片電池”還是寧德時(shí)代的“麒麟電池”，兩者的本質(zhì)都是鋰電池電池包的結(jié)構(gòu)工藝創(chuàng)新，整體提升鋰電池電池包級(jí)的能量密度；而從安全性能上，“刀片電池”在熱管理上現(xiàn)階段似乎更勝一籌。

當(dāng)前鋰電池電芯能量密度的提升遇到了階段性的瓶頸，而電芯能量密度的提升顯然更加考驗(yàn)鋰電池廠電化學(xué)的研發(fā)實(shí)力！相信寧德時(shí)代和比亞迪均在不斷尋求技術(shù)突破，在這場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)中，暗涌悄無(wú)聲息，市場(chǎng)最終會(huì)給予答案。

北京品源知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理咨詢有限公司 劉達(dá)