鋼針刺穿刀片電池結(jié)果驚呆了 被比亞迪狠狠上了一課

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】當(dāng)許多人對(duì)磷酸鐵鋰嗤之以鼻的時(shí)候，比亞迪默默拿出了新的電池結(jié)構(gòu)成果——刀片電池，繼續(xù)堅(jiān)守磷酸鐵鋰電芯這條技術(shù)路線。刀片電池究竟有什么樣的魅力呢？這么說吧，2008年比亞迪推出了搭載磷酸鐵鋰電池的純電動(dòng)車比亞迪e6，電池單體容量是45Ah。而2020年首搭于比亞迪漢的磷酸鐵鋰電池，在電池單體體積變化不大的前提下電池單體容量為138.5Ah，并且電池包的體積利用率從40%提升到60！這就是刀片電池結(jié)構(gòu)的最直觀明顯的提升。

　　當(dāng)高安全性的磷酸鐵鋰電池解決了能量密度低的問題之后，這便意味著，從前磷酸鐵鋰電池主要用于電動(dòng)商用車、電動(dòng)乘用車用三元鋰電池的局面將會(huì)被打破。

　　電動(dòng)車傳統(tǒng)電池包內(nèi)部采用的是由多個(gè)電芯組成的模組，再將模組安裝到帶有橫梁、縱梁的外殼上，組合成電池包，形成了電芯-模組-電池包三級(jí)裝配模式，從模組到橫梁、縱梁都占用了寸土寸金的電池包空間，限制了電池包能量密度的提升。

　　而“刀片電池”采用的就是大家既陌生又熟悉的CTP（Cell to Pack）無模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，省去了中間模組環(huán)節(jié)，直接將電芯集成為電池包。如果將比亞迪漢的電池包拆解開來，我們可以得到一堆長(zhǎng)度1米，寬度10厘米，厚度不到2厘米的電池單體，這些電池單體緊密排在一起，就像“刀片”一樣插進(jìn)電池包，所以才得名刀片電池。

　　并且電池包內(nèi)部幾乎沒有橫梁或縱梁，薄如刀片的磷酸鐵鋰電池組合起來就能起到提升電池包整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。于是，寸土寸金的電池包內(nèi)部得以安裝更多塊電池單體，體積利用率得到極大提升，電池包總?cè)萘恳簿吞嵘蟻砹恕Ｔ诓捎昧姿徼F鋰電芯的前提下，刀片電池結(jié)構(gòu)將磷酸鐵鋰電池的容量/續(xù)航水平拔高到了和三元鋰電池的同一水平線。

　　回到我們的第一個(gè)問題刀片電池是什么？其實(shí)一句話就能說清，刀片電池代表的是一種新的電池結(jié)構(gòu)，其意義就在于通過改變電池結(jié)構(gòu)的方式提高了電池的體積利用率。那么就會(huì)有人開始想到，三元鋰電池是否也可以采用刀片電池結(jié)構(gòu)呢？

　　我們從弗迪電池工程師的口中了解到，在弗迪電池當(dāng)前技術(shù)儲(chǔ)備下，三元鋰電池也是可以做成刀片電池結(jié)構(gòu)，但弗迪沒有采用三元鋰電芯路線的主要原因還是耐高溫性能不如磷酸鐵鋰材料，為了彌補(bǔ)三元鋰電池的熱安全性，在設(shè)計(jì)電池包時(shí)需要預(yù)留更多的空間設(shè)計(jì)防火墻。

　　而采用磷酸鐵鋰正極材料會(huì)有哪些優(yōu)勢(shì)？在電動(dòng)車常用的兩種主流電池當(dāng)中，磷酸鐵鋰材料本身具有放熱啟動(dòng)溫度高、放熱慢、產(chǎn)熱少、材料在分解過程中不釋放氧氣難以起火這四大優(yōu)勢(shì)。打個(gè)比方，在500℃溫度下，磷酸鐵鋰材料結(jié)構(gòu)還非常穩(wěn)定，但三元鋰材料在200℃左右時(shí)就會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)釋放氧分子，引發(fā)熱失控。

　　從電池材料熱安全的角度來看，磷酸鐵鋰有天然優(yōu)勢(shì)，但過去磷酸鐵鋰電池的能量密度遠(yuǎn)不及三元鋰，最終還是在新能源汽車電池補(bǔ)貼大戰(zhàn)敵不過三元鋰電。刀片電池結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將扭轉(zhuǎn)這一態(tài)勢(shì)，使得其在發(fā)揮熱安全優(yōu)勢(shì)的前提下，縮小與三元鋰電池的能量密度差距甚至持平。

　　據(jù)弗迪電池介紹，搭載在漢EV的刀片電池包在熱擴(kuò)散試驗(yàn)當(dāng)中的表現(xiàn)也優(yōu)秀，在強(qiáng)制引發(fā)位于中間的電池?zé)崾Э刂?50℃后，鄰近電池表面溫度最高也才80℃，沒有起火、爆炸發(fā)生。

　　說完優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)磷酸鐵鋰材料也并且沒有短板，在極端低溫環(huán)境下，三元鋰的放電容量明顯高于磷酸鐵鋰，在零下20℃的條件下，磷酸鐵鋰的釋放的電量會(huì)大打折扣。并且在低溫低電量條件下的充電功率，磷酸鐵鋰要低于三元鋰，低溫環(huán)境簡(jiǎn)直是磷酸鐵鋰的天敵。

　　不過據(jù)弗迪電池的介紹，經(jīng)過優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)可以保證刀片電池包在-35℃的極端低溫環(huán)境下仍能夠保持在最佳工作狀態(tài)。 

　　說到針刺實(shí)驗(yàn)就不得不提一提比亞迪和寧德時(shí)代的“曠世大戰(zhàn)“，我們先來簡(jiǎn)單回顧一下吃瓜要點(diǎn)。故事要從比亞迪3月29日的那場(chǎng)刀片電池發(fā)布會(huì)開始說起，筆者當(dāng)時(shí)坐在電腦面前看直播都能聞到濃濃的火藥味，比亞迪宣稱要改變行業(yè)對(duì)三元鋰電池的依賴，將動(dòng)力電池的技術(shù)路線回歸正道！

　　并展示了刀片電池與三元鋰電池的針刺實(shí)驗(yàn)對(duì)比視頻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人大跌眼鏡：三元鋰電池劇烈燃燒，表面溫度瞬間超過500℃，電池表面的雞蛋被炸飛；而比亞迪的刀片電池就像沒事發(fā)生，表面溫度30~60℃。在這場(chǎng)直播中雖沒點(diǎn)名道姓，但明眼人都知道三元鋰電池市場(chǎng)份額最大的正是比亞迪電池最大的對(duì)手——寧德時(shí)代。

　　直到5月11日，在寧德時(shí)代的財(cái)報(bào)峰會(huì)上，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群直言：電池的安全和電池的濫用測(cè)試是兩回事，但有些人把濫用測(cè)試通過等同于電池安全。寧德時(shí)代的回應(yīng)，瞬間將事件推向高潮，隨后這兩家電池巨頭在微博上展開了激烈的隔空互懟。

　　其實(shí)比亞迪與寧德時(shí)代的爭(zhēng)論的根源莫過于針刺實(shí)驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證電池安全到底有沒有用？

　　在《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》2015版國(guó)標(biāo)當(dāng)中，是存在電池單體針刺測(cè)試這一項(xiàng)目的。但隨著大家都轉(zhuǎn)而投向能量密度高的三元鋰電池，國(guó)家不得不對(duì)這項(xiàng)法規(guī)進(jìn)行修訂。在最新強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)中，刪除了電池單體針刺測(cè)試，取而代之的是電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散試驗(yàn)。在熱擴(kuò)散試驗(yàn)中，可以自行選擇加熱觸發(fā)熱失控，或者針刺觸發(fā)熱失控，也就是針刺測(cè)試變成了一門選修課。

　　用一根大直徑鋼針刺穿電池，模擬電池短路進(jìn)而觸發(fā)熱失控，是目前為止最嚴(yán)苛的測(cè)試方法，而且無論從鋼針直徑、刺穿速度來看，我們的國(guó)標(biāo)測(cè)試方法在國(guó)際上都是最為嚴(yán)苛的。

　　帶著針刺實(shí)驗(yàn)的疑惑，筆者來到了比亞迪位于重慶的弗迪電池工廠，親眼目睹了針刺實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程。在針刺實(shí)驗(yàn)開始前，刀片電池和三元鋰兩種電池都已經(jīng)是滿電狀態(tài)，刀片電池滿電狀態(tài)電壓為3.4v，三元鋰電池也達(dá)到了滿電狀態(tài)的4.16v。

　　首先開始進(jìn)行測(cè)試的是三元鋰電池，在調(diào)試完測(cè)試設(shè)備，一切準(zhǔn)備就緒后，試驗(yàn)工程師回到指揮間。只聽工程師一聲令下，還沒等我們反應(yīng)過來，隔著玻璃的隔壁試驗(yàn)間就傳來了猛烈的爆炸聲。三元鋰電池一扎就爆了，針刺點(diǎn)被瞬間炸飛導(dǎo)致針刺溫度未采集到。

　　之后用同樣的方法測(cè)試刀片電池，場(chǎng)面毫無波瀾，沒有明煙明火。我甚至一度懷疑針刺試驗(yàn)是否已經(jīng)開始，但從監(jiān)控及玻璃房中可以清晰地看到鋼針確實(shí)已經(jīng)穿透刀片電池了。

　　由于刀片電池兩端較長(zhǎng)，電壓處于緩慢釋放的過程，安全閥溫度也只是緩慢上升，2分鐘后針刺點(diǎn)溫度也才上升至33℃，安全閥溫度上升至22℃左右。

　　刀片電池的概念并不新鮮，但想走出實(shí)驗(yàn)室量產(chǎn)裝車就不是一件簡(jiǎn)單的事了。刀片電池最難最核心的部分其實(shí)是在于疊片工藝，不同于傳統(tǒng)電池所采用的纏繞工藝。疊片工藝是把正極、負(fù)極材料切成小片與陶瓷隔膜合成小個(gè)電芯單體，然后將多個(gè)小電芯單體堆疊成一個(gè)大電芯單體。這樣一來，疊片工藝賜予了刀片電池的高能量密度，但這種做法的成本也更為昂貴且麻煩。

　　因此刀片電池難點(diǎn)不在于整個(gè)電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而是輥壓、疊片、切片等工藝的開發(fā)，由于市面上現(xiàn)有的疊片機(jī)最多只能做到600mm長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了比亞迪刀片電池1米長(zhǎng)的極片，因此這種疊片采用的是比亞迪完全獨(dú)立自主開發(fā)的設(shè)備和裁切方案。

　　除疊片之外，刀片電池生產(chǎn)過程中的配料、涂布、輥壓、檢測(cè)等其他工藝都達(dá)到了頂尖水平。例如，配料系統(tǒng)的精度在0.2%以內(nèi)；雙面同時(shí)涂布，涂布最大寬度達(dá)1300mm、單位面積涂敷重量偏差小于1%；1200mm超大幅寬的輥壓速度可達(dá)120m/min，厚度控制2μm以內(nèi)，確保寬尺寸極片厚度的一致性。

　　第一個(gè)吃螃蟹的人是令人佩服的，比亞迪刀片電池的橫空出世，讓刀片電池跟比亞迪劃上了等號(hào)，刀片電池雖不是比亞迪率先提出的，但當(dāng)大家閑暇談?wù)撈鸬镀姵貢r(shí)，率先想到的一定是比亞迪。在大家都認(rèn)為磷酸鐵鋰電池該被淘汰時(shí)，比亞迪的刀片電池狠狠地給我們上了一課。（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 張景森）