软包电池

软包电芯的突围和复兴

第一电动大牛作者朱玉龙 2022-12-17 11:01

引：我的职业生涯从进入汽车行业开始，就开始从事电动汽车的开发。所以一直都关注电池包的技术路线。

从2010年开始的很长一段时间里面，通用的Volt和日产的LEAF都是软包电芯，除了特斯拉用18650以外，可以说软包电池=第一代动力电池。很多朋友在问我，软包电池这几年的发展为什么没有别的技术那么风风火火。

近几年，锂电池领域正在进行技术突破，除了围绕化学体系的改进，很多技术进步都属于结构创新——有火爆行业的刀片类电池、特斯拉和宝马引领的4680大圆柱电池、以及方壳电池搭配的麒麟电池CTP3.0技术。相比之下，这几年软包电池在憋什么大招呢？

事实上，电池的不同封装形态都是服务于用户端的需求。在消费电子领域，软包电池普遍用于手机、笔记本等产品。在汽车领域，目前方壳被广泛接受，软包在中国因为供应链不成熟、技术难度大、成组效率低，以及参与的电池厂少等原因，热度不高。但是目前软包技术已经非常成熟，后续该怎么样才能发挥自己的优势，今天的文章主要来谈谈这个事情。

从历史来看，软包电池也经历了非标准大尺寸、355模组电芯、390模组电芯和590模组电芯，之前的设计更多是从电池本身角度谈设计，随着软包电池也结合汽车进行结构化设计，那么软包电池的新型设计思路是什么？

▲图1.软包电池的发展

Part 1

软包电池的特点和市场格局演变的拐点

一、市场的格局变化

抛开电动汽车的早期历史不说，根据IHS的数据，电池的市场格局是在2018- 2021年这几年，是往有利于软包电池的方向发展的。

▲图2.不同类型电池的封装份额（数据来源：IHS）

◎ 圆柱电池：市场份额在不断变小，从2018年的29%，到去年的15%；根据最新的统计2022年上半年只有12%了。特斯拉一直是圆柱最大的使用者，在开始选用方壳电池以后，圆柱在整个市场影响变小了。

◎ 软包电池：从市场份额不断变大，到2021年达到峰值接近30%，今年上半年份额略降，在25%左右。

◎ 方壳：一直占领50%的市场份额，近两年占比有所增高。

数字是客观的，在数字后面我们还能看到电池厂商的情况：在动力领域圆柱电池的主要提供商是松下、LG和SDI，软包电池主要是LG、SK on、AESC远景和国内的孚能；方壳电池，一个是宁德时代，一个是比亚迪（刀片也是方壳的变种，融合的产物）。从产品终端的汽车市场来看，电池产品的比例受限于整车的销量。因此，方壳电池的份额走高和车端市场息息相关，同时挤掉了其他产品的份额。

二、 市场拐点的原因分析

整车企业应用端在变化，从汽车企业角度来看，也确实存在和电池企业的博弈。

◎ 特斯拉：从只用圆柱，到2020年10月导入方壳，目前方壳比例逐步升高。这里分界线，就是一个电池包里面兼容圆柱模组和方壳模组。

◎ 奔驰：从EQC阶段只用软包，到开始在EQS上导入方壳电池——这里也确实是方壳和软包兼容的模式。

◎通用汽车和福特：这两家在美国主要围绕软包电池，但是在中国都采用了方壳电池为主。

在中国市场，由于有2017年开始的补贴退坡要求，还有产能供给的问题，从这一年起，中国车企绝大多数企业只使用方壳。这里一方面和方壳的技术优势有关：

◎ 方壳提出取消模组，利用自身刚性来提高体积使用效率，降低成本。

◎ 方壳提出了大电芯方案，从1倍厚到3倍厚，成本降低，容量做到300Ah。

另一个容易被人忽视的原因，还和方壳主要的供应商宁德时代和比亚迪的产能扩张速度有关——产能高速扩张，客观上提高了市占率。

圆柱电池在2017年以后的式微，一个重大的原因是因为质量一致性难以保证——我们看到小鹏在早期的设计尝试了圆柱电池，也是在国内吃了亏然后改选用方壳的。

软包电池在国内发展存在一定的瓶颈，主要的原因有：

◎ 一方面是材料供应的问题，包括铝塑膜这样的材料没有国产化。

◎ 另一方面，在中国车企要求规模化供应的当口，软包需要克服技术问题，并给关键的产能供给一些爬坡时间。

▲图3.主要汽车企业的挑选

在技术方面，因为软包的主要特点，在围绕能量密度这个方面的优势不突出（电芯高，Pack打折率大），竞争时在成本和生产效率方面就有些吃亏。这也是软包电池急需解决的问题。

▲图4.软包的技术特点

Part 2

软包的复兴

但软包电池并不是没有翻盘的机会，想要理清楚这部分逻辑，得先详细分析一下。

软包的优点和缺点。先说优点：

◎ 尺寸很灵活，可以根据汽车客户的需求，调整产线。

◎ 软包电池，铝塑膜变形空间较大，热失控时电芯层级更容易泄压。

◎ 铝塑膜，重量轻，非活性部分所占比重小，软包电池能量密度高。

◎ 循环过程中对内部结构产生的机械应力小。

◎ 极耳位置充裕，充放电过程中，热量分布均匀。

在实际的制造工艺中，软包采用叠片工艺，这个工艺与采用卷绕工艺的方壳相比，还有如下的优势：

◎ 能量密度更高：电芯内部的卷绕工艺，卷绕拐角部有弧度，空间利用率低一些。这是因为叠片工艺能够充分地利用电池空间。在相同体积的电芯设计下，能量密度也相应提高了——软包叠片相比方壳卷绕和叠片，能量密度高5-10%。

◎ 结构更稳定：叠片工艺在电池的循环往复使用中，虽然也会膨胀，但总体来说，每层膨胀力相近，因此可保持界面平整。

◎ 安全性更高：安全性也是因为结构的自身优势带来的。电极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形，因此，确保电芯的形变最小，也是电池安全性的保证。叠片电池则由于受力均匀，形变小，电芯的安全性更高。

◎ 更长的循环寿命：叠片电池的极耳数量较多，电子传输距离越短，电阻越小，故叠片电池的内阻能够降低，电池产热小。而卷绕则容易发生变形、膨胀等问题，影响电池衰减性能。

◎ 通往未来的固态电池：如果说我们认为将来固态电池要实现的话，软包的形态可能是固态电池必须要走过的路。随着电池固态电解质的突破，能量密度更高，循环更好，成本更低。软包这种形态可以赋予更大的想象空间。

从最终的电池成品看，用叠片工艺制成的电池产品，能量密度更高、内部结构更稳定、安全性更高、寿命更长。

软包电池的缺点在于：

◎ 壳体强度低，成组技术中附加材料多，之前没有采用CTP设计。

◎ 容量做不大，铝塑膜限制了电池的厚度，限制了容量。

◎ 采用叠片的生产效率相对较低。

也就是说，从产品特点来看，软包需要直面的难点在于：

◎技术难度的突破上，结合汽车的开发来设计。

◎ 解决成组率低的问题，把电池容量做大。

◎提升产业链成熟度，提高产能。

◎ 有效的成本设计。

▲图5.软包电池的核心问题

◎当然最重要的还是制造端的改进，随着叠片工艺的效率提升，也带动了软包电芯放大了自己的优势。

▲图6.叠片的工艺

Part 3

软包电池的发展前途

在目前的软包设计中，孚能发布的SPS（Super Pouch Solution）是非常有特点的，可以说为软包的复兴之路探索到一个正确的方向，也走在软包技术的前端。

仔细研究可以看到，SPS主要围绕大软包电芯、大软包电池系统、大软包电池制造。在电芯的设计方法上，是通过大电芯配合层叠布置，可以使电池系统部件减少50%，材料成本降低33%，提升体积利用率到75%。而作为对比，麒麟电池的第三代CTP技术，作为这个领域的王者，体积利用率为72%。

▲图7.软包企业的生态

在软包领域，孚能的SPS大软包电池是提出了一种解题思路，也值得我们持续跟踪做一些深度解析。主要从以下几个方面来看：

●解决热失控的问题

软包能否做CTP设计，是一个很大的挑战，孚能SPS的设计是给软包电芯做个壳体，把软包堆叠在一起，可以直接集成到PACK甚至汽车底盘。高效液冷板和导热片的复合使用给大软包电芯提供了“双面液冷，三面传热”的高效热交换，其中竖起来的液冷板可以起到电池PACK的支撑作用，也是可以起到安全防护作用的。电池系统的散热效率提升4倍。大软包电芯形成6面防护，配以高效排气通道的设计和热交换能力，SPS大软包电池系统配置8系或更高镍含量的电芯，单体电芯的热失控不扩散（NO TP），当一个软包电芯出现问题，最多出现一个堆叠的模组烧起来，但是整体比之前把电芯站立火烧连营要好。

▲图8.孚能电池的SPS方案

●整车匹配问题

随着汽车企业的能耗竞争和空间布置的要求提出来，各家电池厂都必须根据主机厂的需求调整生产线，相比方壳和刀片尺寸，这种大软包尺寸我们可以做到更薄，也就让汽车的底盘厚度可以更薄，空间相应的增大。

▲图9.不同电池的需求

SPS“大软包”卧式布局和叠片技术，可以灵活调节电池系统的底盘高度，同款底盘、一款电芯就可以适配全系乘用车。大软包电芯厚度，是可以灵活改变的，可根据不同的要求配置成8mm-20mm；而且由于Pack高度=电芯厚度*电芯数量，大软包还可以通过调整电芯的堆叠数量来控制电池高度——SPS大软包系统的高度可以在85mm-145mm之间灵活调节，搭载不同能量密度的大软包电芯让电池系统可拥有从80kWh-150kWh的不同容量，满足从性能轿跑到城市皮卡的电动化需求。

▲图10.适应整车的设计

●快充速度

电池快充是电池特性提升的下一个热点，目前在800V车型上是一个刚性需求。孚能科技的SPS方案中，液冷板和导热片的复合使用，给大软包电芯提供了“双面液冷，三面传热”的高效热交换，电池系统的散热效率提升4倍，加上精准的控温AI-BMS，这样也增加了电池循环寿命，SPS的设计是可以超过3000次循环的。在2021年开始，孚能在这方面就展示了800VTC的超压超充技术，这块的技术储备也确实已经开始了，也是很早应用到量产车型里面去，这对于消费者来说，是一项值得期待的技术。