Однако модификации конструкции аккумуляторных батарей также могут значительно увеличить запас хода автомобиля за счет повышения плотности энергии на уровне батареи. Технология «элемент-батарея» — один из таких примеров, и она была разработана несколькими крупными игроками, включая BYD, Tesla и CATL. Тенденции в области технологии «элемент-батарея» подробно анализируются в новом рыночном отчете IDTechEx «Материалы для аккумуляторных элементов и батарей электромобилей 2026–2036: технологии, рынки, прогнозы».
Модуль-ячейка, соединение ячейки с упаковкой и соединение ячейки с шасси
Стандартная структура аккумуляторных батарей, используемая производителями оригинального оборудования (OEM) в 2010-х и начале 2020-х годов, представляла собой «ячейковый модульный блок» (CMP), описывающий систему, в которой несколько ячеек сгруппированы в модуль, а несколько модулей образуют батарейный блок. Преимуществом этой конструкции является высокая модульность блоков, что позволяет легко масштабировать их для более крупных автомобилей, а также упрощает ремонт и замену. Это также простая конструкция с точки зрения терморегулирования и интеграции системы управления батареей. Однако наличие дополнительного уровня в иерархии батарейного блока требует дополнительных неактивных компонентов, в частности, корпуса модуля и внутренней проводки. Это снижает эффективность компоновки и, следовательно, плотность энергии как на уровне батарейного блока, так и на уровне автомобиля.
Система «ячейка-пакет» (CTP) описывает систему, в которой ячейки интегрированы непосредственно в корпус, без хранения в отдельных модулях. Это уменьшает количество неактивных компонентов и увеличивает соотношение ячейки к корпусу (т. е. соотношение объема/массы ячеек и объема/массы корпуса), что, в свою очередь, позволяет увеличить дальность полета транспортного средства.
Система «элемент-корпус» (CTB) развивает эту концепцию дальше, описывая систему, в которой элементы интегрированы непосредственно в аккумуляторный блок, а сам блок выступает в качестве структурного компонента кузова автомобиля. Это требует дополнительных материалов для механического усиления блока, что снижает плотность энергии на уровне блока, но все же позволяет увеличить запас хода автомобиля по сравнению с системой «элемент-корпус», поскольку повышает плотность энергии на уровне автомобиля (за счет уменьшения потребности в материалах по всему кузову).
Компании, использующие технологии CTP и CTB: CATL, BYD, LG ES, Tesla
Технологии CTP и CTB начали внедряться совсем недавно. Этому есть несколько причин: во-первых, технология требует альтернативных систем терморегулирования, разработка которых была необходима, и, во-вторых, технология требует адаптированной конструкции ячеек. В частности, технологии CTP и CTB могут быть эффективно реализованы только с использованием ячеек большого формата, прежде всего крупных призматических и цилиндрических ячеек (46x).
Использование элементов такого типа началось лишь в последние пять лет. BYD Blade Gen 1 стал одним из первых крупноформатных призматических элементов, совместимых с конструкциями CTP, а BYD и Tesla первыми разработали блоки CTB. К другим крупным игрокам в этом секторе относятся как разработчики элементов, так и производители оригинального оборудования (OEM), такие как CATL, LG ES, Volkswagen, Stellantis и SVOLT. Более подробный анализ игроков на рынке CTP и CTB можно найти в недавнем отчете IDTechEx «Материалы для аккумуляторных элементов и блоков электромобилей 2026-2036: технологии, рынки, прогнозы».
BYD Blade Gen 2: обеспечивает более высокое соотношение ячеек к корпусу
Компания BYD недавно объявила о первом применении элементов Blade второго поколения в автомобиле DENZA Z9GT, который, как сообщается, может похвастаться впечатляющим запасом хода в 1036 км. Элементы Blade первого поколения от BYD доминировали на рынке и внесли значительный вклад в доминирование литий-железо-фосфатных (LFP) батарей в Китае.
В обоих поколениях используется призматическая конструкция батареи, хотя, как утверждается, в Blade 2.0 используется катод из LMFP вместо катода из LFP, а также анод из кремний-углеродного композита вместо чистого графита. Оба химических изменения позволяют значительно повысить плотность энергии и улучшить быструю зарядку. В Blade 2.0 также используется новая формула электролита под названием «Flash-Flow», которая призвана улучшить подвижность литий-ионных аккумуляторов и увеличить скорость зарядки.
Технология CTB также позволяет увеличить соотношение ячеек к блоку питания. Хотя конкретные значения соотношения ячеек к блоку питания будут зависеть от модели автомобиля и конструкции аккумуляторного блока, утверждается, что эта технология обеспечивает коэффициент использования объема ячеек по отношению к блоку питания на уровне 76%, что значительно выше среднего показателя для конструкций CTB. Это также превосходит показатели батарей Blade первого поколения, которые изначально обеспечивали коэффициент использования объема ячеек по отношению к блоку питания на уровне 62%.
Отчасти это обусловлено усовершенствованием конструкции системы терморегулирования аккумуляторного блока Blade 2.0, в которой используется жидкостное охлаждение в двух плоскостях: сверху и снизу блока. Это также увеличивает удельный вес элементов по сравнению с общим весом блока благодаря значительному снижению веса системы терморегулирования. Ожидается, что эта технология позволит значительно увеличить запас хода и возможности зарядки китайских электромобилей следующего поколения.
Перспективы использования материалов для проектирования комплексов «ячейка-упаковка»
Технологии «элемент-блок» изменяют соотношение материалов в батарейном блоке несколькими способами. Во-первых, поскольку требуются большие элементы, снижается доля неактивных материалов на уровне элементов. Во-вторых, за счет исключения корпусов модулей можно также снизить требования к неактивным материалам на уровне блока. В-третьих, конструкции «элемент-блок» и «элемент-корпус» могут потребовать корректировки других материалов на уровне блока; например, более мощных систем терморегулирования (поскольку пассивное охлаждение снижается за счет повышения эффективности компоновки) и более механически прочных корпусов для блоков «элемент-корпус» (CTB). Технологии «элемент-блок» (CTP) и «элемент-корпус» завоевали значительную долю рынка в Китае и набирают популярность в Северной Америке и Европе. IDTechEx прогнозирует, что CTP станет доминирующим вариантом конструкции батарейного блока для легковых автомобилей в течение следующего десятилетия, поскольку он позволяет увеличить запас хода автомобиля без изменения требований к пространству в батарейном блоке.
Кроме того, в отчете подчеркивается, что переход к архитектурам CTP и CTB не только решает проблему повышения плотности энергии, но и оптимизирует затраты на системном уровне. Сокращая количество конструктивных элементов и упрощая сборку, производители могут снизить как материальные, так и производственные затраты. Это ключевой фактор в условиях, когда конкурентоспособность электромобилей все больше зависит от снижения общей стоимости кВт⋅ч.
Еще один важный аспект — влияние этих архитектур на безопасность батарей. Хотя исключение модулей создает новые проблемы, особенно в отношении распространения тепла между ячейками, достижения в области теплопроводящих материалов, огнезащитных барьеров и активных систем охлаждения снижают эти риски. Фактически, новейшие конструкции интегрируют передовые решения по изоляции и рассеиванию тепла, которые могут соответствовать или даже превосходить уровни безопасности традиционных систем CMP.
Что касается материалов, переход к технологиям CTP и CTB стимулирует рост спроса на многофункциональные решения. Например, конструкционные материалы должны сочетать механическую прочность с подходящими тепловыми свойствами, а клеи и герметики должны обеспечивать как структурное сцепление, так и теплопроводность или огнестойкость. Это способствует инновациям в области передовых полимеров, композитов и гибридных материалов.
В отчете также подчеркивается, что внедрение этих технологий не будет равномерным во всем мире. Китай явно лидирует во внедрении CTP и CTB благодаря сильной вертикальной интеграции своей аккумуляторной и автомобильной промышленности, в то время как Европа и Северная Америка продвигаются более постепенно, ограниченные адаптацией своих цепочек поставок и нормами безопасности.
В перспективе IDTechEx прогнозирует, что сближение новых химических составов батарей (таких как LMFP или аноды с высоким содержанием кремния) и передовых архитектур, таких как CTP и CTB, будет иметь решающее значение для достижения запаса хода более 800–1000 км в серийных автомобилях. Одновременно ожидается, что эти инновации значительно улучшат время зарядки и срок службы батарей.
В совокупности переход к конструкциям «элемент-блок» и «элемент-корпус» представляет собой структурный сдвиг в проектировании батарей для электромобилей, имеющий серьезные последствия для материалов, производства, стоимости и производительности. Эти технологии не только переопределяют архитектуру батарейных блоков, но и будут играть ключевую роль в следующем поколении электромобильности.
