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寶馬集團最新電池技術(shù)及策略路線圖解讀

2022-01-07 09:47:51·  來源：Vehicle  作者：Pirate Jack  
　
2021年11月26日，寶馬集團舉行了分析師和投資者線上交流活動。圍繞如何在電動汽車世界保證電池供應話題，寶馬電池技術(shù)負責人Dr. Peter Lamp就“寶馬集團電池技術(shù)
2021年11月26日，寶馬集團舉行了分析師和投資者線上交流活動。圍繞如何在電動汽車世界保證電池供應話題，寶馬電池技術(shù)負責人Dr. Peter Lamp就“寶馬集團電池技術(shù)”進行了報告。本文將對寶馬發(fā)布的官方資料進行解讀,希望能給業(yè)內(nèi)帶來啟發(fā)。

寶馬未來十年計劃生產(chǎn)1000萬輛電動汽車

寶馬計劃在未來十年生產(chǎn)1000萬輛電動汽車。對照2019年數(shù)據(jù)，到2030年計劃每臺車在使用過程中減少50%的碳排放量，在生命周期降低40%的碳排放量，二次材料使用量增加到50%。


寶馬電氣化策略是，關(guān)鍵系統(tǒng)內(nèi)部研發(fā)和制造，包括充電系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)。



電池是寶馬未來成功的關(guān)鍵

電池是寶馬未來成功的關(guān)鍵。電池決定了整車的關(guān)鍵屬性，包括續(xù)航里程、充電時間、駕駛功率、成本等。在工程方面還包括了安全性、能量比、功率比、使用壽命。
以寶馬i4為例，電池成本占到了整車成本的40%。這40%中包括80%的電芯成本和20%的模組和系統(tǒng)成本，其中電芯成本又分為80%的材料成本和20%的電芯生產(chǎn)成本。



寶馬電池技術(shù)發(fā)展策略

寶馬的電池研究，注重從模塊到電芯，從基礎研究到應用的長期能力，研究內(nèi)容覆蓋了基礎工作原理、材料、電極/零部件、電芯。
2008年寶馬在i3和i8上開始鋰電池研發(fā)；2012年開始專門的電芯技術(shù)研發(fā)項目；2017-2019年完成寶馬集團電芯能力中心的建設；2020年開始在德國帕爾斯多夫建立試點電池生產(chǎn)線，預計2022年建成。


寶馬致力于產(chǎn)品和工藝的早期研究和概念驗證，與供應商伙伴共同完成產(chǎn)業(yè)化。
研發(fā)方面，目前電池相關(guān)工作人員超過300人，在研項目43個，與機構(gòu)、大學、創(chuàng)業(yè)公司、OEM企業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)密切合作。
實驗室方面，內(nèi)容涉及材料特性、化學開發(fā)、配方研發(fā)、性能和安全測試、失效分析。
除了電芯試制外，寶馬與合作伙伴正在建設試點電池生產(chǎn)線。


寶馬電池技術(shù)還考慮以下兩個方面：完整的價值鏈和整個生命周期，包括原材料開采和提純、電池材料生產(chǎn)和質(zhì)量分級、電芯開發(fā)、電芯生產(chǎn)、電池模組和系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)、投產(chǎn)、二次使用和分解、原材料的回收利用。
其中鈷和鋰來自澳大利亞和摩洛哥經(jīng)過認證的礦山，以及二次利用的材料。電芯的生產(chǎn)過程100%使用可再生能源。在世界范圍內(nèi)回收電池，拓寬原材料回收，促進原材料的二次使用。


電池系統(tǒng)的研發(fā)，基于技術(shù)需求，也受法規(guī)驅(qū)動，總的來看考慮三方面：設計、安全和環(huán)保。
設計方面，目前主要是材料到電芯到模組再到電池包的模式，擁有獨立的構(gòu)造；未來的趨勢是高度融合，優(yōu)化體積能量密度，例如電芯到電池包，電芯到底盤。
安全方面，當前中國法規(guī)要求比較特殊，寶馬特別強調(diào)了中國的5分鐘內(nèi)不起火不爆炸要求；未來趨勢是時間延長到40分鐘并可能直接阻燃。
環(huán)保方面，沒有嚴格的強制要求，目前出于企業(yè)責任；未來歐盟會有碳排放、原料回收和回收率的規(guī)定。



寶馬電池技術(shù)路線圖

寶馬的電池技術(shù)路線圖圍繞高性能和低成本兩個方面演變，最終走向固態(tài)電池。
低成本路線上，第一步推行去鈷化，第二步去鈷低鎳等，富鋰錳等；另外LFP磷酸鐵鋰電池將會應用在中國也不排除北美的相對基礎車型上面，但LFP的能量密度基本不會有太大的變化。
高性能路線上，采取富鎳方案，未來第一步會采用氧化硅/石墨，第二步采用高硅陽極等，如碳化硅化合物；最終走向固態(tài)電池，固態(tài)電池將會把能量比推向一個新的高度。
目前處于低成本和高性能路線的中間地帶。



電池材料和電芯的研發(fā)趨勢

陽極材料：石墨，容量360 mAh/g；石墨/氧化硅混合方案，容量500-600 mAh/g；碳化硅化合物，容量1200 mAh/g。
陰極材料：NMC111，容量150 mAh/g；NMC 532,622，容量180 mAh/g；NMC 811，容量210 mAh/g；Ni含量高于90%，容量230 mAh/g。
風險：1、高性能材料的穩(wěn)定性由鎳含量決定，成本受硅陽極主導；2、材料的應用必須與電極、電芯設計趨勢相匹配。


電極設計趨勢為兩部分，

? 增加負載（限制于功率要求）；
? 優(yōu)化涂層（比如減少未涂層部分，受限于制造公差以及安全因素）。
電芯設計趨勢包括：

? 擴容，充分利用凝膠卷到電芯空間（比如變卷繞為疊片，風險點為成本）；
? 提升包裝密度（風險點為膨脹力）；
? 減少鋁箔銅箔等隔膜的厚度（風險點是操作性和安全）；
? 制造大電芯，提升活躍空間比例（風險點同樣是安全）。

電芯制造趨勢

電芯的制造分為三個步驟：混合涂層、壓縮碾壓、切割。
當前電芯制造的典型挑戰(zhàn)和風險有：
保護涂層和隔離結(jié)構(gòu)損壞；最終電極能量比達不到；電芯裝配要求難以達到（例如裝配車間影響）。
寶馬針對以上的防范措施有：
優(yōu)化涂層配方，優(yōu)化陰極材料粉末密度，調(diào)整粘合劑；小心選擇箔基片；碾軋流程優(yōu)化。



磷酸鐵鋰的復興

磷酸鐵鋰特點是放電容量大，價格低廉，無毒性，不造成環(huán)境污染，且產(chǎn)業(yè)價格相對較低，但致命的缺點是能量密度相對較低。
通過優(yōu)化電芯以及模組的設計，磷酸鐵鋰電池對基礎車型有吸引力。



固態(tài)電池將改變游戲規(guī)則

當前先進的電池主要采用石墨硅陽極材料、NMC負極材料、液態(tài)電解液和多空阻隔隔膜。
下一代固態(tài)電池，陽極材料采用鋰金屬，陰極材料采用NMC，電解液為氧化劑/聚合物/硫化物固態(tài)電解液。
它與當前電池的差異主要是兩方面：

? 電解液由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，增加安全性；
? 用鋰金屬陽極取代石墨或者碳化物，將增加能量密度。
采用固態(tài)電池帶來的潛力有：
? 更高的安全性，從而可以使用更高性能的材料，更大的電芯，減少電池組合時的二次安全測量；
? 固態(tài)電解液支持新概念創(chuàng)新（比如雙極電芯）；
? 鋰金屬陽極帶來更高的能量密度。


存在的挑戰(zhàn)有：

? 必要的壓力來穩(wěn)定接口確保長生命周期；
? 不同的熱管理需求（更傾向于保溫而非散熱）；
? 充電狀態(tài)和非充電狀態(tài)下鋰金屬的能量變化；
? 鋰金屬的額定容量；
? 制造過程中和使用過程中材料的魯棒性。
基于上述優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，固態(tài)電池在安全性和能量密度上具有強大潛力，但是目前成本不明，仍處于驗證階段。只有得到合理的概念驗證，固態(tài)電池才能夠產(chǎn)業(yè)化。
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