国轩高科朱冠楠博士：低空飞行领域用高性能电池需求和进展

企业 2024-11-06 13:21 天津

导读

2024CHPB-7《第七届先进高功率电池国际研讨会》于2024年10月23日在苏州成功举办，中国化学与物理电源行业协会主办，先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有限公司承办，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国电器工业协会电动工具分会作为特别支持单位，同时并得到了弗迪电池、宁德时代CATL、通用汽车、青岛蓝科途、新宙邦、蓝科途、赣锋锂业、清华大学车辆学院、同济大学汽车学院、深圳比克、国轩高科、云山动力、吉利沃飞、盛禧奥、东莞创明、博赛利斯、中信金属、长虹三杰、苏州力神、亿纬锂能、泉峰科技、江苏东成、万向一二三、珠海冠宇、欣旺达动力、江苏思源、国元行（广东）、三一红象、无锡盘古、泰苓科技、深圳泰能、江苏载驰、湖州超钠、米开罗那、钹鑫科技、深圳科晶、汇晶科技、上海海逸、苏州富亿豪、圣泰材料等联合协办单位的大力支持。本届大会邀请了上下游产业链相关先进配套装备企业等200多家企业单位，会议共安排了12个分会主题，40场主题报告，2个主题圆桌讨论会。500余位嘉宾出席了此次国际论坛（请看下方会议现场照片集锦）。

2024 CHPB-7 苏州（左右滑动查看更多精彩）

在2024 CHPB-7，Session5“高比能46系大圆柱电池助力低空飞行eVTOL”大会主题上，来自合肥国轩高科动力能源有限公司，国际工程研究院副院长，朱冠楠博士做了“低空飞行领域用高性能电池需求和进展”主题演讲。

合肥国轩高科动力能源有限公司朱冠楠博士

大家下午好，我是国轩高科的朱冠楠。今天很高兴有这个机会来参加高功率的会议。这个会议已经举办到第七届了，我之前关注的比较少，高功率会议之前更多的是在12V、48V电池，今年我看到把新的体系，包括半固态电池、固态电池、新兴领域、低空飞行都加进来了，我觉得这个会会办的越来越好。

今天我来分享一下低空飞行领域用的高性能电池的展望，分为三个部分：一是需求分析；二是国轩高科在这个领域所做的进展；三是我们思考和展望。

一，需求分析

现在都说电池特别卷，我想卷的核心原因在于客户比较卷，主要客户来自于整车，他们卷，再卷到上游的电池供应商，自然就更加卷，卷无可卷，卷出天际。对于我们来说，主力还是聚焦在电动汽车领域，同时也在思考能不能有新的赛道让我们拓展一下产品线？比如电动低空飞行领域，我们做了分析之后发现，低空飞行领域相比于电动汽车，对于电池的要求更高。电动汽车的核心点在于安全性，还有能量密度，支持长续航。对于功率、循环，不同的使用场景有不同程度的要求，是有所侧重的，不会什么都要。但是低空飞行对于我们来说，它是既要、又要、还要，要求能量密度、安全、快充，还有长循环。就是前面这位同仁总结的“三高一快一长”。

虽然要求这么高，但是我们还是觉得它是一个潜力巨大的新兴市场，是一个蓝海。我们发现，对于电动汽车来说，有太多的电池可以选择，但是对于低空飞行来说，亟待解决的是有什么电池可以用？我们现在看下来，至少跟客户对接下来，没有一款能够真正推向量产的实际可以用的推向商业化应用的真正合适的电池。我觉得对于很多想要进军低空飞行领域的从业者来说都是机会，也是挑战。

低空飞行就是用eVTOL电动垂直起降的飞行器作为牵引，来打造城市交通，包括载人、载货、旅游、运输等领域。eVTOL会成为未来智能交通的重要一环。大家都知道一句俗话：要想富，先修路。交通弄好了，自然而然低空经济就能得到比较大的发展，比较顺利的牵引。从而打造未来规模非常巨大的低空经济。

根据我们的调研，目前全球已经有900多个eVTOL在研型号，头部的低空飞行企业都已经在进行试航的认证，甚至有些已经完成了阶段试航认证，要进入商业化运营阶段。

我们分析了一下，目前低空飞行玩家分为四类。

第一类是传统的航空航天巨头，比如波音、贝尔航空、巴西航空。

第二类是新兴eVTOL厂商，包括内国内的亿行、欧洲的Lilium。

第三类是汽车制造商，包括吉利、小鹏都在布局低空飞行，包括低空飞行器和飞行汽车。

第四类是互联网巨头，对低空飞行公司进行直接或者间接的投资。

eVTOL的类型：

第一类是多旋翼。垂直的升力作为主动力，多旋翼的特点是对功率要求特别高，最大时速和续航相对比较低。

第二类是复合翼。在垂直升力的基础上叠加了横向的推力，使得无论是时速，还是续航，还是载重方面都得到比较大的提升。

第三类是倾转旋翼。对横向的推力，还有垂直的升力面做了力的分配，同时有角度的旋转。在时速和续航上面有了进一步的拉升。

针对eVTOL领域的无电池可用或者无合适的电池可用的难点，我们分析了一下它到底要求什么类型的电池？总结为“三高一快”。

第一个是高功率。这个高功率还不同于传统的功率型电池，它特别要求在低SOC，放电末期非常大的功率，因为要保证低空飞行器安全的降落，30%的时候SOC依然需要有12C的放电能力。同时垂直起飞所需要的动力高达地面行驶的10-15倍，这就决定了低SOC的超大功率。

第二个是高能量密度。整车对于能量密度要求比较严，在低空飞行面前肯定是小巫见大巫。毫不夸张的说，它对于重量的要求是按克来抠的，对于能量密度轻量化肯定是刚需，只是受制于目前电池的综合性能做了稍微的让步。我们查了客户的反馈，对于航空类动力电池单元的能量密度，2022年写的是250Wh/kg，到2030年翻了一倍，变成500Wh/kg，到2040年又翻了一倍，我不知道行业内实际做电池的能不能达到这样的步伐？我们肯定会朝这个目标去努力。除了轻量化，还有一个是续航。对于车来说，百公里12-18度电的耗电量是比较正常的电量，跟整车载重也有关系。对于eVTOL飞行器来说，百公里耗电量要达到65度电，也就决定了同样的电池包，对于汽车能跑500公里，但到了eVTOL就只有115公里。为了提升续航，就必须要装更多的电量，但是重量又受不了，所以还是间接要求能量密度的提升。这两点支持了高能量密度的底层需求。

第三个是高安全。因为它是飞在天上的，不像在路面上行驶，一旦发生安全事故，在空中出现事故的危害性远远大于在地面上的行驶工况，所以安全一定是刚需。

最后一个是高快充。我们跟客户了解到，提升快充能力主要是提升单位时间的运营或者服役的次数，从而提升经济性，所以对于快充也是有要求的。

目前的体系，包括软包、圆柱、方形对于低空飞行领域电池的适配性，我们认为在未来2-3年内，软包、圆柱都是以eVTOL比较合适的形式。这几年之后会更多的统一为一种形式，可能是软包，也可能是圆柱，至少现在还是没有想清楚这个问题。我们在圆桌讨论会的时候，在交流一下这个问题。

针对三高一块的需求，国轩高科在2022年就发布了半固态电池，我们也一直是在做半固态体系，发现它的需求和我们半固态体系还是非常契合的。一是在我们半固态组合技术里面用到了高安全电解液提升电芯安全热失控的阈值。同时和固态电解质做有效的固液复合，减少液体的保液量，从而提升由于电解液的泄露、串扰所引起的安全风险。二是用到了离子导体包覆的复合正极，它在功率上面，特别低温上面表现出更好的性能，还可以降低反应产热和反应速率。三是功能离子膜，通过我们自己的开发和现在小规模量产的导入，可以实现原位固化电子液来提升电池安全，特别是穿刺方面的性能。四是为了提升能量密度，我们引入了含量比较高的硅，把更高首效的硅做到了体系里面。

首先，我们把半固态体系用到软包里面，开发了320Wh/kg的软包电池，容量是40Ah，DCR可以做到20%SOC下1.45mohm。在低SOC下的功率性能也非常突出，在30%SOC下可以做到将近4500W/kg的功率密度。在20%SOC下做到＞3000W/kg的功率密度。同时支持1C/1C千次循环，还有2C直充的充电。

下面是具体的数据。

这是功率放电10C，10s的脉冲功率能力。

这是完整的飞行工况测试，包括三个阶段：爬升、巡航、降落。可以看到，电池能满足完整飞行工况的需求，在放电末期有＞3.3V的电压，最高的温度变化出现在降落阶段，不超过40℃。

这是长循环测试。现在还没有测完，但是根据同体系更小软包的测试数据，我们认为1000次循环是没有问题的。

这是膨胀力，我们发现在高能量密度体系里面不可避免的要引入硅负极。硅负极膨胀在软包电池里面，它的膨胀力对于电池性能影响是非常显著的。左面是引用了一篇文献的结果，可以发现在软包电池里面，这个压力是给软包电池在测试过程当中加的预紧力，随着预紧力的增大，电池极化会出现先减小、后增大的趋势。对于软包电池来说是有一个最佳的预紧力范围。

为什么会出现这样的变化呢？这篇文章又进一步分析出，全电池的变化来源于循环过程当中正极的体积变化，还有负极的体积变化。拿充电来说，正极的体体积是收缩的，负极体积是增大的，而且负极的体积变化的绝对值，还有比例是更大的，也就造成全电池的体积厚度，还有预紧力呈现非常正相关的依存关系。我们发现它的厚度和预紧力并不是一一对应的线性关系。它的厚度随着预紧力的变化，在某些SOC区间会出现相应的滞后。我们在自己实验室建立了从扣电到软包，到圆柱，比较全面的、多层级的对于膨胀力的评估和测试平台，方便我们在各个层级能拿到比较清晰的数据，去评估膨胀力对于电池设计以及电池性能的影响。

软包电池不管是车用，还是低空飞行，安全是底线。对于软包电池的应用，最大的困扰就在于安全性。因为软包电池在在热失控的时候，喷发方向是随机的，是没有规律的，这就导致在Pack做热防护的时候要多加很多安全冗余，而且还不一定能够防得住。在极耳侧，在上断面、大面都要做相应的防护。

这里我只讲一点，对于低空飞行客户来说，他愿意用软包电池，同时又要卡住安全应用的红线，给我们提出来比较核心的指标，就是软包电池的产气速率。把产气速率作为软包电池成组在低空飞行器应用的非常重要的监控指标。

大家都知道，实际的电池包箱体是一个密封的箱体。当单体发生热失控的时候，出现很高的温度和过快的产气速率的时候，非常容易发生箱体的热蔓延。如果气体不能进行迅速的导出，就很容易发生箱体的撕裂，甚至爆炸，还有整包的热蔓延。为了防止这一点，电池包箱体的防爆阀选型就非常的关键。防爆阀的卸压速率或者说排气速率一定要比单体电芯热失控的产气速率要大，这样就不会造成气体的持续累积，导致整包热蔓延的风险。

我们测了这款软包电池，发现产气速率有瞬间的峰值增大，但是在99%的时间里面都是很低而且相对平稳的。对于整包的设计重点就是要能防得住峰值的产气速率，要求是低于0.01mol/s/Ah。我们这款电池做到了0.008mol/s/Ah，是能够满足客户的要求。

320Wh/kg是目前正在做量产导入的一款电池，下一代会把能量密度进一步升级到400Wh/kg，同时保证高功率输出。

第二个方面是把半固态这套体系用到圆柱。圆柱在低空飞行应用的两个核心点，第一个，圆柱是标准品，如果能做成，对于整包标准化是非常有益的。做成了一代，后面的工艺，还有电池包成组技术都是可以沿用的，要换的就是里面的体系。通过里面的体系做能量密度，还有性能的迭代升级。第二个，圆柱电池相比于其他大容量的方壳，还有软包电池来说，在电池包层面的热失控，不管是对电芯的能量密度，还是对电池包的能量密度来说，热失控都是相对最容易做的。我们觉得这是能够支撑圆柱电池在低空飞行领域应用的点。

这个表展示的是目前量产的第一代46系列电池4695/46120。4695的能量密度能做到285Wh/kg，25℃循环能做到1500次，功率输出能满足目前飞行客户第一代产品需求。

这款电池在功率上能够支持9C，10s，而且连续5次脉冲放电。看到电压远高于2.75V的截止电压，说明还有很大的冗余。以及5C，120s连续功率放电的能力。

这款在快充性能上的表现，具有18分钟快充能力，快充循环根据趋势，在3000次以上，70%的容量保持率是没有问题的。在温升上，正极侧，尤其是正极柱和正极集流盘是过流的瓶颈，所以温度稍微高一点会达到8.1℃，负极以及大面的温度都是比较低的。

再说一下膨胀力问题。预紧力其实也是力，圆柱比软包对于力更加敏感。做过大圆柱就知道，在内部贴一个胶带都会对极片印记以及长循环会产生不小的影响，所以对于膨胀力是非常敏感的。

归结下来。在负极，硅的含量以及圆柱群裕度（满电的群裕度），还有充电倍率都会对膨胀力产生非常大的影响。具体来说，硅含量主要影响膨胀力的最大值，以及膨胀力从空电到满电的变化范围。满电群裕度主要是影响最大值，但是发现震荡范围并不会随着循环推移发生显著的变化。充电倍率越大，膨胀力的绝对值就会越大，而且变化速率也会越快。

针对圆柱，膨胀力对于电池的性能，包括初始的DCR以及循环过程的DCR增长，还有计极化的累积，长期的循环寿命，甚至安全性都有着非常显著的影响。我们在做大圆柱电池设计的时候，膨胀力应该是重点要考虑的一个因素。

这是第一代46圆柱的安全性能。电芯可以通过全套的新国标，这款电池是供海外客户，所以还要做UN测试，通过了UN全套测试。在模组层级可以做到无热蔓延。

这款电芯是代表国轩高科最高智能制造水平的第七代工厂做的，它实现了极限的精度，极限的品质，还有极限的成本。通过这些优化，制造费用可以做到50%的降低。

在Pack方面做到了两面换热，一排电芯对应一排蛇形冷却，支持快充以及大功率放电需求。同时做到热电分离，整包无热蔓延。我们通过仿真和实测，在3秒内把里面70%的热量导出到Pack外部。我们在电池包里面引入了无线BMS，取消低压线束，实现空间利用率的增大，还有成本的降低，满足欧标客户的需求。

目前这一代圆柱满足现有飞行客户第一代产品的需求，他对于能量密度的要求肯定是永无止境的。我们目前在研发的是300Wh/kg以上的电芯，已经做到了B样，在提升能量密度的同时保证功率的需求，还有循环使用的要求。

这是具体的数据，我们能做到2700W/kg。

最后是我们自己对低空飞行领域所需要电池的Roadmap，我们认为2025-2026年是低空飞行的量产元年。抓住这个机遇，对于每一个从业者都非常的关键。我们先推出第一代，包括软包320Wh/kg和圆柱的300Wh/kg。到2027年会推出第二代，能量密度做到350Wh/kg的电池产品，满足低空飞行规模推广的阶段。我们认为能量密度势必要做到400Wh/kg，真正满足低空飞行作为未来交通必不可少一环的使命和目标。

最后是一个总结，时间关系我就不读了。谢谢大家。

主持人：谢谢朱博士的回报。朱博士从eVTOL领域高性能电池需求总结了技术指标，也汇报了国轩高科在这方面的产品开发。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5NzE3MDAxNg==&mid=2670524732&idx=2&sn=a6bebee0c83d4b2a5f7436241784b39a

电源技术杂志

《电源技术》是我国化学与物理电源行业综合性中文核心期刊，由十八所主办，《电源技术》编辑部编辑出版，国内外公开发行。本刊经营国内外广告，热烈欢迎有关电池、电池材料、电池生产与测试设备的企事业单位在本刊刊登广告。

北京理工大学陈人杰教授&刘琦研究员：表面重构降低高镍层状正极颗粒应力促进4.6V高电压高比能锂离子电池应用

【电池回收】重磅 | 中国化学与物理电源行业协会电池回收再利用分会正式成立！

【CIBF2025】王者再临！宁德时代确认参加CIBF2025！可能带来哪些惊喜？

刀片电池膨胀行为表征方法

固体电解质粉末离子电导率测试

巴西矿冶公司CBMM | Niobium为全球最大的铌负极材料生产线揭幕，致力于生产Echion公司领先的XNO®材料

PTAA渗透CNT电极涂层和隐藏封装策略助力钙钛矿电池实现19.5%效率

厦门大学孙世刚/黄令/邓亚平团队JACS：锂金属电池锂负极“双功能”人工界面

最新号外！液流电池登顶Nature正刊

苏州纳米所沈炎宾团队Angew. Chem.：阴离子调制--设计适用于高电压固态锂金属电池的聚合物电解质

【CIBF2025】在新周期里，2000余家展商选择这里

2024装备制造业发展大会-“十五五”能源电力低碳规划发展会议

欣旺达动力林峰：高功率电芯隔离膜的设计与应用

国轩高科朱冠楠博士：低空飞行领域用高性能电池需求和进展

大会回顾||刘全兵：电化学纳米反应器设计及其锂硫电池应用研究

EcoMat综述：锂金属电池电解质与SEI界面研究进展

电科蓝天先进电源助力神舟十九号载人飞船成功发射！

郑大周震/靳绪庭/宋丽/清华曲良体/中科院刘峰Angew：极性诱导策略构建1.94V放电平台的高电压锌基电池

Angew炸裂级刊文：500000次超折叠钠离子电池

第八届无线传能与能源互联技术论坛在南京成功召开

西交王鹏飞团队ACS Energy Lett：阻燃砜类电解液稳定LiNi0.5Mn1.5O4电池高温条件下CEI界面

大会回顾||戴长松：废旧锂电正极材料修复再生与回收再利用

大会回顾||沈炎宾：分子自组装调控高比能电池界面化学

惊人发现！大圆柱电池膨胀量是小圆柱的十倍

圆柱电芯膨胀力表征方法

福耀科大“杰青/长江学者”蒋建中教授：Nature子刊

【数据统计】2024年1-9月我国锂离子电池出口额累计436.87亿美元

ACS重磅刊文：这项“新技术”将引领锂电池的革命性发展

广东工业大学刘全兵教授课题组AFM：局部电子离域调控内部多硫化物的降序转化

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉