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大容量与叠片天生一对?600Ah+储能电芯开启"叠"需求

随着314Ah电芯在储能招投标中逐渐起量,配套5MWh+系统的技术更加成熟,已是当之无愧的第二代储能标准电芯,高工产研(GGII)预测,2024年314Ah电芯渗透率将超20%。

与此同时,为满足更大规模电站、以及更长时长的储能需求,各大电芯厂商已启动500Ah+、600Ah+、甚至1000Ah以上更大容量电芯“备战”,以抢占下一代储能标准电芯身位。

然而,电芯容量的升级虽然带来了更大的单舱能量密度,却对储能系统安全带来了更大的挑战。宁德时代CTO许金梅认为,大容量电芯研发要求厂商在尺寸限制、容量追求和安全保障三方面达到平衡。

而“刀片化”是目前确保大容量电芯在尺寸限制、容量、安全三方面得到平衡的“明路”之一。

据高工储能观察,目前600Ah以上大容量储能电芯,普遍改变了71773方形尺寸,选择了更薄的“刀片形态”,制造工艺上也集体转向了叠片工艺。

据高工储能不完全统计,目前已有9家电芯厂商推出超10款以上600Ah+储能电芯,均使用了叠片工艺:

包括瑞浦兰钧625Ah电芯、亿纬锂能Mr.Big 628Ah电芯、蜂巢能源L500-660Ah/710Ah/730Ah储能电芯、海辰储能1130Ah、昆宇电源720Ah电芯、楚能新能源625Ah、欣旺达欣岳625Ah、南都电源690Ah电芯、天弋能源630Ah电芯等。

大容量与叠片有着天然的兼容性

相较卷绕工艺,叠片工艺与大容量储能电芯具有天然的兼容性,在经济性与安全性上擦出了更大的火花。

经济性方面,叠片电池在封装极片过程中不存在C角问题,能够充分利用壳体边角空间,提升体积和质量能量密度,有利于减少储能系统占地面积和土建支出。

此外,大容量刀片电芯更适合适无模组化,更容易实现堆叠,进一步集成电池簇、系统时灵活性更好,具有明显的降本增效的优势。

从实际案例来看,蜂巢能源L500储能专用电芯在短刀设计下,采用LCTP技术,与传统VDA储能系统相比,Pack零部件减少15%,Rack动力连接件减少50%,成本降低3.1%。

安全性方面,随着容量提升,电芯散热更加困难,热量分布不均问题也更加明显,更容易引起热失控问题。

而在刀片形态下,电芯薄、比表面积大利于散热、温升小,大幅提升了储能电芯的安全性。不仅如此,刀片电芯多采用全极耳设计,内阻大幅降低,电芯热损耗降低,热失控风险降低。

从电芯内部看,蜂巢能源叠片技术可实现极片与隔膜完全复合,保证了正负极反应界面的一致性,显著提升了电芯安全性。

海辰储能的做法是,设计了3x3三维立体气道和定向开阀结构,可快速、精准、定向的排出电池热失控时产生的气体。

结合系统层面来看,由于超大容量电池串并联数量大幅减少,可减少一半左右的系统电气连接部件,电芯的数据检测,更好、更快速地监测到安全隐患。

一直坚持叠片路线的昆宇电源,在本次SNEC展会上,昆宇电源便推出了720Ah叠片电芯。在安全方面,昆宇电源将电芯产品从形态上做长,降低电芯的升温,提升了储能电芯的安全性。

此外,昆宇电源还创新性设计了结构件的定向气道及开阀结构,双重安全防护,快速、精准、定向的排出电池热失控时产生的气体。

在热扩散的层面上,昆宇电源也做了相关的优化设计,在电芯与电芯之间增加了高隔热材料,可有效的避免当电芯发生失控时热扩散至临近的电芯。

卷改叠,还需要攻克哪些问题

从行业内看,卷绕工艺发展时间相对更长,工艺成熟、成本低、良率高,在动力电池占据绝对的主流。而叠片工艺以体积利用率高、结构稳定、内阻小、循环寿命长等优势特点,近年来在动力市场的占比正在提升,也正慢慢向储能市场渗透。

昆宇电源副总裁王兴春告诉高工储能,电池工艺从卷到叠是“返璞归真”的状态,是从电芯到系统的简化,不仅减少了并联的电芯组串数量,还减少了50%左右的系统电气连接部件。

然而,效率问题是叠片工艺推广的一大掣肘。

在叠片过程中,需要摆动隔膜来叠放极片、避让隔膜交替进行,增加了单次叠片所需要的时间,同时只能实现单片堆叠,叠片效率很难有大的提升,一般为0.5s/pcs/工位。

值得一提的是,all in刀片电池的蜂巢能源,其飞叠技术3.0已在2022年四季度实现0.125s/pcs效率。对比2019年蜂巢能源叠片技术的0.6s/pcs,已实现了超3倍的飞跃。

此外,良率问题可能在大容量叠片电芯上被放大,由于大容量电芯极片数量更多,掉粉、毛刺问题更突出。2022年相关数据显示,叠片大容量电芯的生产效率在6-8PPM左右,若电芯容量提升至600Ah以上,生产效率可能会更低。而目前,叠片工艺主要包括Z字型、切叠一体、热复合、卷叠一体(日韩专利,国内用的较少)四类,对相关设备的良率要求较高,对设备厂商和电芯厂商来说都是极大的挑战。

值得一提的是,蜂巢能源飞叠技术已进阶至第三代,在良率改进方面,该技术集成了CCD在线检测,每台飞叠设备有65台CCD相机,可实现100%检测极片尺寸不良情况,实现每一片全检,良率达到了99.9%。

除了硬件上的比拼,欣旺达近期还在625Ah叠片储能电芯上用上了AI闪叠、智能算法等技术,可实现PPB级的极片缺陷拦截,精确、快速识别瑕疵和缺陷。

诚然,叠片工艺仍在不断进步,600Ah+大容量储能电芯也并非只有“刀片+叠片”的唯一选项。但以目前超10家电芯企业布局的路线来看,600Ah+大容量电芯刀片化是明确的趋势。

未来,如何实现更大容量储能电芯在尺寸限制、安全、性能等方面的平衡,仍是各大电芯厂商的重要命题。

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