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宝马集团最新电池技术及策略路线图解读
2022-01-07 09:47:51· 来源：Vehicle 作者：Pirate Jack
2021年11月26日，宝马集团举行了分析师和投资者线上交流活动。围绕如何在电动汽车世界保证电池供应话题，宝马电池技术负责人Dr. Peter Lamp就“宝马集团电池技术
2021年11月26日，宝马集团举行了分析师和投资者线上交流活动。围绕如何在电动汽车世界保证电池供应话题，宝马电池技术负责人Dr. Peter Lamp就“宝马集团电池技术”进行了报告。本文将对宝马发布的官方资料进行解读,希望能给业内带来启发。
宝马未来十年计划生产1000万辆电动汽车
宝马计划在未来十年生产1000万辆电动汽车。对照2019年数据，到2030年计划每台车在使用过程中减少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%。
宝马电气化策略是，关键系统内部研发和制造，包括充电系统、电池系统、电驱系统。
电池是宝马未来成功的关键
电池是宝马未来成功的关键。电池决定了整车的关键属性，包括续航里程、充电时间、驾驶功率、成本等。在工程方面还包括了安全性、能量比、功率比、使用寿命。
以宝马i4为例，电池成本占到了整车成本的40%。这40%中包括80%的电芯成本和20%的模组和系统成本，其中电芯成本又分为80%的材料成本和20%的电芯生产成本。
宝马电池技术发展策略
宝马的电池研究，注重从模块到电芯，从基础研究到应用的长期能力，研究内容覆盖了基础工作原理、材料、电极/零部件、电芯。
2008年宝马在i3和i8上开始锂电池研发；2012年开始专门的电芯技术研发项目；2017-2019年完成宝马集团电芯能力中心的建设；2020年开始在德国帕尔斯多夫建立试点电池生产线，预计2022年建成。
宝马致力于产品和工艺的早期研究和概念验证，与供应商伙伴共同完成产业化。
研发方面，目前电池相关工作人员超过300人，在研项目43个，与机构、大学、创业公司、OEM企业和其他产业密切合作。
实验室方面，内容涉及材料特性、化学开发、配方研发、性能和安全测试、失效分析。
除了电芯试制外，宝马与合作伙伴正在建设试点电池生产线。
宝马电池技术还考虑以下两个方面：完整的价值链和整个生命周期，包括原材料开采和提纯、电池材料生产和质量分级、电芯开发、电芯生产、电池模组和系统研发和生产、投产、二次使用和分解、原材料的回收利用。
其中钴和锂来自澳大利亚和摩洛哥经过认证的矿山，以及二次利用的材料。电芯的生产过程100%使用可再生能源。在世界范围内回收电池，拓宽原材料回收，促进原材料的二次使用。
电池系统的研发，基于技术需求，也受法规驱动，总的来看考虑三方面：设计、安全和环保。
设计方面，目前主要是材料到电芯到模组再到电池包的模式，拥有独立的构造；未来的趋势是高度融合，优化体积能量密度，例如电芯到电池包，电芯到底盘。
安全方面，当前中国法规要求比较特殊，宝马特别强调了中国的5分钟内不起火不爆炸要求；未来趋势是时间延长到40分钟并可能直接阻燃。
环保方面，没有严格的强制要求，目前出于企业责任；未来欧盟会有碳排放、原料回收和回收率的规定。
宝马电池技术路线图
宝马的电池技术路线图围绕高性能和低成本两个方面演变，最终走向固态电池。
低成本路线上，第一步推行去钴化，第二步去钴低镍等，富锂锰等；另外LFP磷酸铁锂电池将会应用在中国也不排除北美的相对基础车型上面，但LFP的能量密度基本不会有太大的变化。
高性能路线上，采取富镍方案，未来第一步会采用氧化硅/石墨，第二步采用高硅阳极等，如碳化硅化合物；最终走向固态电池，固态电池将会把能量比推向一个新的高度。
目前处于低成本和高性能路线的中间地带。
电池材料和电芯的研发趋势
阳极材料：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。
阴极材料：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。
风险：1、高性能材料的稳定性由镍含量决定，成本受硅阳极主导；2、材料的应用必须与电极、电芯设计趋势相匹配。
电极设计趋势为两部分，
• 增加负载（限制于功率要求）；
• 优化涂层（比如减少未涂层部分，受限于制造公差以及安全因素）。
电芯设计趋势包括：
• 扩容，充分利用凝胶卷到电芯空间（比如变卷绕为叠片，风险点为成本）；
• 提升包装密度（风险点为膨胀力）；
• 减少铝箔铜箔等隔膜的厚度（风险点是操作性和安全）；
• 制造大电芯，提升活跃空间比例（风险点同样是安全）。
电芯制造趋势
电芯的制造分为三个步骤：混合涂层、压缩碾压、切割。
当前电芯制造的典型挑战和风险有：
保护涂层和隔离结构损坏；最终电极能量比达不到；电芯装配要求难以达到（例如装配车间影响）。
宝马针对以上的防范措施有：
优化涂层配方，优化阴极材料粉末密度，调整粘合剂；小心选择箔基片；碾轧流程优化。
磷酸铁锂的复兴
磷酸铁锂特点是放电容量大，价格低廉，无毒性，不造成环境污染，且产业价格相对较低，但致命的缺点是能量密度相对较低。
通过优化电芯以及模组的设计，磷酸铁锂电池对基础车型有吸引力。
固态电池将改变游戏规则
当前先进的电池主要采用石墨硅阳极材料、NMC负极材料、液态电解液和多空阻隔隔膜。
下一代固态电池，阳极材料采用锂金属，阴极材料采用NMC，电解液为氧化剂/聚合物/硫化物固态电解液。
它与当前电池的差异主要是两方面：
• 电解液由液态变为固态，增加安全性；
• 用锂金属阳极取代石墨或者碳化物，将增加能量密度。
采用固态电池带来的潜力有：
• 更高的安全性，从而可以使用更高性能的材料，更大的电芯，减少电池组合时的二次安全测量；
• 固态电解液支持新概念创新（比如双极电芯）；
• 锂金属阳极带来更高的能量密度。
存在的挑战有：
• 必要的压力来稳定接口确保长生命周期；
• 不同的热管理需求（更倾向于保温而非散热）；
• 充电状态和非充电状态下锂金属的能量变化；
• 锂金属的额定容量；
• 制造过程中和使用过程中材料的鲁棒性。
基于上述优势和挑战，固态电池在安全性和能量密度上具有强大潜力，但是目前成本不明，仍处于验证阶段。只有得到合理的概念验证，固态电池才能够产业化。
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