2022年动力电池行业之麒麟电池及快充技术专题分析 充电慢是电动车行业的核心痛点

1.CTP 3.0 麒麟电池

核心创新为多功能弹性夹层+多模块底层空间共享

麒麟电池取消横纵梁、水冷板、隔热垫原本各自独立的 设计，集成为多功能弹性夹层，内置微米桥连接装置，同时具备支撑、水冷、隔热、缓冲四大功能。此外麒 麟电池电芯排列采取倒立排列，开创性的让多个模块共用底部空间，将结构防护、高压连接、热失控排气等 功能进行智能分布。

麒麟电池综合性能优异，整体指标超市场预期

体积利用率超预期5%（原官网公布67%）， 来自电芯倒放+多模块共用底部空间（6%）；系统能量密度超预期5Wh/kg（原公布 250Wh/kg）；水冷板效果超预期，水冷面积扩大四倍，水冷板用量扩大两倍，原公布两排电 芯间插入一排水冷板，发布时为一排电芯插入一排水冷板，每个电芯两侧均有水冷板，因此水 冷板数目/效果超预期（电芯间取消隔热层，源于对水冷效果的信心）。

多功能弹性夹层：三效合一，化繁为简

麒麟电池取消横纵梁、水冷板、隔热垫原本各自独立的设计，集成为多 功能弹性夹层，内置微米桥连接装置，配合电芯呼吸进行自由伸缩，提升电芯全生命周期可靠 性。

提高电池包的比能量和循环寿命。1）提升循环寿命，电芯加紧后寿命会短一半，也就是放松 一点的话，循环寿命能长一倍，水冷板附加缓冲作用；2）提高比能量：水冷、隔热、缓冲功 能三合一，空间得到大幅节省，磷酸铁锂可达160Wh/kg、290Wh/L，三元高镍可达到 250Wh/kg，450Wh/L，比4680多装13%的电量。

多模块底层空间共享：进步提升6%的空间利用率

麒麟电池电芯排列采取倒立排列，开创性的 让多个模块共用底部空间，将结构防护、高压连接、热失控排气等功能进行智能分布，整块 CCS取代多块模组CCS，进一步增加了6%的能量空间。同时电芯倒置，防爆阀朝下设计，热 失控时气体向远离乘客方向排出，安全性大幅提升，但倒置电芯对电池顶盖设计要求更高。

麒麟电池 VS 4680电池

麒麟电池水冷效果略逊于4680，但空间利用率高。麒麟电池水冷板放置与特斯拉4680电池类 似，都是在电芯间夹水冷板，但特斯拉水冷板无需起支撑作用。大圆柱间散热空间更大，上方 还有额外一层水冷板，因此特斯拉CTC散热效果好于麒麟电池，叠加全极耳设计，非常利于快 充设计，但空间利用率低于麒麟电池，麒麟电池空间利用率72%，而特斯拉4680空间利用率 为63%。

麒麟电池衍生推测：宁德时代专利 CN216648494U

冷却板替代横纵梁，使支撑、冷却、隔热、缓冲功能四合一，有效提升空间利用率。新冷却板以加强体的方 式插入电池排间，同时连接上盖和下箱体，起到传统横纵梁支撑保护作用；两排电芯共享一个冷却通道，相 比一排电芯使用一个水冷板，减少冷却板数量，降低BOM成本，有轻量化的效果，更有利于快充时散热； 立式冷却板打造横向相对隔离空间，纵向电芯间有膨胀补偿片+绝热气凝胶，有效隔热实现“零热失控”； 冷却板采用内外两层冷却通道，可吸收电池充放电及老化时产生的膨胀，减少电池单体挤压，提升电池循环 寿命；此外新水冷板转移至箱体内部，可避免因碰撞易出现破损而导致漏液风险。

应用：麒麟电池23年实现量产，将搭载理想等新车型

宁德时代预计23年量产符合无热扩散要求，续航1000km高能量密度的麒麟电池，其大幅提 高系统安全性能，降低高镍三元电芯热失控风险，有效解决行业目前的痛点，有助于加速全球 电动化进程。同时麒麟电池可适配铁锂、中镍、高镍多体系电芯，对应水冷板等结构设计会跟 随需求变化。

2.快充：结构端升级

现状：大多数电动车充电10min续航100km

充电慢是电动车行业的核心痛点。2021年支持快充的热销车型平均理论充电倍率约为 1C，即实现 SOC30%-80%需要充电约 30 分钟、续航约219km（NEDC 标准）。而在实践中，大部分纯电动车实现 SOC30%-80%需要充电 40-50 分钟、可行驶约 150-200km。若加上进出充电站的时间（约 10 分钟）， 纯电动车花费约1小时的充电时间仅能在高速路行驶约 1个多小时。

目前功率器件只能支持400V电压，充电功率为100kw，100km需充电10min。根据国家推荐标准《电动 汽车传导充电系统》，直流充电输出电流范围优先选择80A-250A；此外，受限于硅基IGBT功率器件的耐压 能 力 ， 目 前 已 上 市 的 大 多 数 电 动 车 搭 载 400V 电压平台 。 按 此 标 准 ， 电 动 车 峰 值 充 电 功 率 约 为 250A×400V=100kW。100kW级功率充电10min大约补充16.7kWh的电量，对应可行驶100km。

大电流快充进展——特斯拉V2、V3

大电流快充特斯拉最具代表：特斯拉是大电流直流快充方案的代表企业，早先由于高压供应链尚不成熟，所 以特斯拉选择整车电压平台不变，用大电流直流技术实现快充，其V3超充桩最大输出电流接近520A，最高 充电功率250kW。从第一代超级快充进化到第三代超级快充，特斯拉超充桩的电流从250A提升至640A， 超充功率也从100kW提升至250kW。充电效率行业领先。

大电流方案发展受限。V3超充给长续航后驱Model 3补充410+ km的EPA续航只需要35分钟。另外在充电 区间20%-80%之间，V3只需要22分钟，V2需要32分钟。但大电流充电的缺点是仅可在10~30%SOC条件 下实现最大功率充电；而且大电流技术不能满足4C充电需求，如果要实现4C充电，仍需采用高压架构，且 充电发热量过大，对散热要求高，成本相应增加。

高电压快充进展

保时捷800V快充：在高电压平台方面，第一个吃螃蟹的是2019年上市的保时捷Taycan。出于对充电速度 和持续性能的追求，Taycan率先量产了800V电压平台。2019年4月保时捷Taycan Turbo S全球首发， 800V全球首款纯电动车型诞生。性能上，最大充电功率可达320kW即一般120kW快充桩的2~3倍；高压动 力电池，前驱动电机，后驱动电机，车载充电机和PTC部件均采用了800V电压平台。保时捷Taycan采取了 完整的800V电池架构，电池系统采用800V高压，电动力总成，包括电驱动、电力电子、充电系统等也都采 用800V的系统——这个架构等于把所有的高压系统800V升级了。

小鹏Edward平台800V快充：小鹏将于2022年6月正式发布基于Edward平台的小鹏G9，预计年底量产。 G9具有领先的X-EEA 3.0电子电气架构，也搭载了XPower 3.0动力系统，是国内首款基于800V高压SiC平 台的量产车，将实现超充5min，补能超过200km的能力，且电驱系统最高效率可达95%以上，碳化硅元件 助力，预计续航表现会比当前市面上的同级车型有10%左右的提升，其NEDC续航预计会在650km左右。

高电压适配：电池系统更换为4C高倍率系统

200kW级快充需要2C+电芯，400kW级快充需要4C+电芯。400kW级快充还需在电池模组层面通过串联 实现800V电压。高电压方案需要结合BMS制定出非线性的充电方式，在安全范围内充分利用电池特性，使 电池短时间内充至较高的电量，对BMS提出了更高要求。（报告来源：未来智库）

3.快充：材料端升级

材料端：快充技术的升级带来电池材料的升级需求

电池快充难点：平衡高能量密度和倍率性能，同时高倍率会带来更为严重的析锂副反应和产热效应，造成电 池的安全性降低。提高倍率和能量密度的原理相违背，高倍率要求正负极材料颗粒更小，高能量密度要求颗 粒更大。通过改善负极活性材料、电解液及正极材料等方式可以提高锂离子电池的常温及高温快充循环性能。

负极材料为快充主要限制因素。石墨由石墨烯片制成，锂离子通过边缘进入薄片，因此在快速充电的过程中 负极很快达到吸收离子能力的极限，锂离子开始在石墨颗粒顶部形成固体金属锂，即析锂副反应。析锂减少 负极可供Li嵌入的有效面积，一方面降低电池容量、增加内阻、减少寿命，另一方面界面晶体生长，刺破隔 膜，影响安全性。

析锂可通过改进负极材料、电解液添加剂、导电剂等改善，同时可通过使用工况的温度、电池系统的设计改 善。影响锂沉积和沉积结构（析锂）的因素包括：1）锂离子在负极内的扩散速率（考虑石墨改性，通过加 导电剂提升离子导电性）；2）负极界面处电解质的浓度梯度；3） 电极/电解质界面的副反应（改善电解液 添加剂）。

负极：通过特殊材料包覆石墨，增加导电性

杉杉股份：新型包覆剂能够在石墨表面进行均匀包覆，这种经过调控的石墨负极材料的表面包覆层结构使得 其不仅具有优异的电解液润湿特性和锂离子快速嵌入、脱出能力，还具有优良的循环性能。根据杉杉股份发 布的相关论文《硬碳包覆人造石墨作为锂离子电池负极材料的快充性能评价》，锂离子在包覆的石墨电极中 比未包覆的石墨电极扩散速度大一个数量级（SOC10)，可以推知包覆石墨材料在快速充电方面比未包覆材 料更有优势。

璞泰来：树脂包覆在原料焦表面，石墨化后得到高倍率负极材料。树脂和原料焦充分混合均匀得到混合原料， 置于造粒炉中，设置第一升温曲线，使树脂呈熔融态，熔融的树脂均匀地包覆在原料焦的表面，然后设置第 二升温曲线，使熔融的树脂结焦固化，同时去除原料焦的挥发分，形成二次颗粒；将二次颗粒置于石墨化炉 中进行石墨化，得到高倍率石墨负极材料。

宁德时代：发布相关负极包覆材料专利：在现有负极活性材料（碳材料或硅材料）的表面均匀包覆上一层小 颗粒碳质材料，能够在极片中形成有效、稳定的导电网络，大幅提升了材料的动力学性能。

负极：石墨改性，提高锂扩散速度

在石墨中形成孔提高锂扩散速度。在液态电解液体系中，锂在石墨内部的固相扩散系数相对较小（通常情况 下只有约为10-10cm2.s-1），这限制了在快充中的应用。对石墨材料表面进行刻蚀孔隙，在石墨材料中形 成孔，增加了锂的扩散通道，锂可以从基面嵌入，缩短了传输距离，提高了扩散速度，提高了锂在石墨中的 固相扩散，有效降低电池的极化与析锂的风险，提升锂离子电池的快充性能。

氧化改性增大层间距。表面氧化主要是利用氧化剂处理石墨，得到表面含O，H，N等元素的官能化石墨或 者是得到微扩层石墨，改变石墨的边缘形态和增大层间距。

负极：硅基材料是未来发展的方向

硅负极快充性能更优。锂离子电池充电的时候，锂离子向负极迁移，快充电芯实际上重要的技术难点为锂离 子在负极的嵌入问题。硅从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状的端面方向提供锂离 子嵌入和脱出的通道，因此硅负极快充性能更优。

硅基负极还有相关技术问题阻碍商业化应用。Si材料在与Li进行合金化的过程中体积膨胀可达300%以上 （石墨材料在12%），容易导致颗粒的粉化和破碎、SEI膜的破坏，从而严重影响锂离子电池的循环寿命， 可以通过有机改性包覆缓解。23-24年硅基负极份额逐步提升，贝特瑞量产最快。

负极：导电剂碳纳米管在石墨和硅负极上的应用

碳纳米管（CNT）的高电导率和大的长径比有助于形成导电网络，加速电池的动力学以及稳定SEI。充放电 时石墨电极会产生膨胀和收缩, 长期循环后颗粒之间会减少甚至断开连接, 形成“孤岛”, 很大程度上降低电 池性能。CNTs加入石墨中可以把颗粒“绑”在一起, 避免形成“孤岛”。CNTs特殊的中空式结构, 以及比石 墨大的层间距, 可以为锂离子的嵌入脱出提供了良好的通道，增强导电性。碳纳米管还可以用来束缚硅的膨 胀，改善硅基负极性能。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）