要拿下新能源車新高地，三星SDI動(dòng)力電池有何本事

三星SDI的單體鋰離子電池產(chǎn)品系列比較齊全(圖1)，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品包括高能量的BEV(純電動(dòng))60Ah、94Ah電池， PHEV(插電式混合電動(dòng)車)26Ah、37Ah電池(26Ah會(huì)逐漸被37Ah取代)，HEV(混合電動(dòng)車)5.2Ah、5.9Ah電池，以及與超級(jí)電容器結(jié)合應(yīng)用于低壓系統(tǒng)(LVS，low voltage system)的高功率電池(4.0Ah、11Ah)。

圖1 三星SDI的方形單體電池產(chǎn)品

寶馬i3純電動(dòng)汽車使用的是三星SDI的方形電池，三星SDI最早在BMW i3上使用的是60Ah單體電池，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2上方為爆炸圖，可以比較清楚的看到其電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這里看幾個(gè)設(shè)計(jì)要素：

內(nèi)部采用4個(gè)卷芯(jelly roll)，卷繞方式。這種多卷芯的設(shè)計(jì)方式如今在動(dòng)力電池上已經(jīng)比較常見了。

針刺安全保護(hù)裝置(NSD，Nail Safety Device)。這是在卷芯的最外面加上了金屬層，例如銅薄片(圖2電池拆解圖，可以看到外側(cè)有一大片銅箔)。當(dāng)針刺發(fā)生時(shí)，在針刺位置產(chǎn)生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低，這樣可以防止針刺位置局部過熱，緩減電池?zé)崾Э匕l(fā)生。

過充安全保護(hù)裝置(OSD，Overcharge Safety Device)，目前這個(gè)安全設(shè)計(jì)在很多電池上都能看到。一般是一個(gè)金屬薄片，配合fuse使用，fuse可以設(shè)計(jì)到正極集流體上(current collector)，過充時(shí)電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力使得OSD觸發(fā)內(nèi)部短路，產(chǎn)生瞬間大電流，從而使Fuse熔斷，從而切斷電池內(nèi)部電流回路。

圖2　三星SDI 60Ah電池結(jié)構(gòu)圖

2016年寶馬宣布將在2017版的i3上使用94Ah的電池。從公開的信息可以看到(表1)，從60Ah到94Ah，容量增加將近57%，單體電池的質(zhì)量、體積幾乎沒有變化。電池系統(tǒng)的體積結(jié)構(gòu)也幾乎沒有看到明顯變化。電池系統(tǒng)可用能量增加了~45%，續(xù)駛里程增加了~41%(EPA測算法，NEDC測算法是~64%)(圖3)

表1 60Ah和94Ah電池的主要參數(shù)對比

圖3 60Ah和94Ah版本的BMW i3參數(shù)對比

2014年，三星SDI對外公布的技術(shù)路線顯示，到2016年為止，其NCM電池的比能量目標(biāo)為130Wh/kg，2019年左右，比能量目標(biāo)為250Wh/kg的動(dòng)力電池。到2020年之后，希望通過鋰/空氣等新型電池體系達(dá)到300Wh/kg的目標(biāo)?，F(xiàn)在看來，當(dāng)初設(shè)定的2016年NCM電池130Wh/kg的目標(biāo)是比較保守的，電池行業(yè)在最近兩年的技術(shù)進(jìn)步速度是比較快的。實(shí)際上，三星在2016年已經(jīng)算是有了250Wh/kg的電池產(chǎn)品了(如果不考慮其他性能，僅僅看比能量指標(biāo)的話)。

2016年，在日本東京舉行的第七屆國際電池展會(huì)上，三星SDI宣布計(jì)劃在2020年開發(fā)出可以支持一次充電行駛600km的鋰離子電池，該計(jì)劃是基于在2016年已經(jīng)開發(fā)出可以支持300km續(xù)駛里程的基礎(chǔ)上的。三星SDI使用的是NCM正極材料和石墨負(fù)極材料，認(rèn)為可以通過控制正極材料的顆粒尺寸和改進(jìn)石墨的結(jié)晶度，在2018年開發(fā)出支持500km續(xù)駛里程的電池技術(shù)。此外，進(jìn)一步提高NCM中的鎳含量，或者采用NCA正極材料，負(fù)極采用石墨/硅材料，有望在2020年實(shí)現(xiàn)600km的續(xù)駛里程。三星SDI 所選擇的這個(gè)材料體系基本與實(shí)現(xiàn)300Wh/kg的技術(shù)路線保持一致(參照：動(dòng)力電池要求來了，300Wh/kg比能量目標(biāo)如何實(shí)現(xiàn)）。這樣看來，三星原技術(shù)路線中的300Wh/kg在鋰離子電池體系下就有望實(shí)現(xiàn)了。在電池尺寸上，三星SDI還是繼續(xù)采用VDA的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 2014年三星SDI發(fā)布的技術(shù)路線

三星SDI的汽車和儲(chǔ)能市場/產(chǎn)品計(jì)劃副總Zin Park認(rèn)為，到2023-2025年，基于液態(tài)鋰離子電池的技術(shù)將達(dá)到瓶頸，接下來三星將著重開發(fā)全固態(tài)電池、鋰金屬電池和鋰空氣電池。實(shí)際上，在2015年，三星SDI的全固態(tài)電池試制樣品已經(jīng)可以達(dá)到300Wh/kg(采用硫化物類的固態(tài)電解質(zhì))。至于鋰金屬電池、鋰空氣電池，Zin Park認(rèn)為現(xiàn)在只是做開發(fā)，真正應(yīng)用可能要10年之后了，那時(shí)候有望實(shí)現(xiàn)900Wh/kg和一次充電行駛700km。