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刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

本文作者:Dude 2020-04-03 14:57
導語:摘要:電池技術的每一次革新,都讓我們離真正的汽車電動化時代更進一步。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:比亞迪刀片電池)

空姐按着她的腰强行坐下去在三月的最后一個周末,比亞迪朝著動力電池產業扔下了一顆“深水炸彈”。

3月29日,“電池大王”王傳福,帶著他最得意的作品——刀片電池,重回產業焦點,叫板三元鋰電池,宣稱要對整個新能源汽車產業發起一場糾偏運動。

空姐按着她的腰强行坐下去所謂刀片電池,其實是一種對電芯厚度進行減薄,長度進行加寬后,扁平化設計的磷酸鐵鋰電池。

比亞迪的相關專利數據顯示,這款電池產品的高度為118mm、厚度為13.5mm、長度則可以在435mm-2500mm之間進行定制。因其長而薄的形狀酷似刀片,因此得名刀片電池。

空姐按着她的腰强行坐下去但如果只是對尺寸進行了再設計,那這款電池便稱不上“能夠改變產業的產品”。

空姐按着她的腰强行坐下去在電池內部,比亞迪通過“蜂窩鋁板結構”對電芯的機械強度進行了補強,使之能夠不依賴電池模組,單獨排列在電池包內部。

空姐按着她的腰强行坐下去在省去模組之后,刀片電池在電池包中的空間利用率大幅提升,從傳統電池40%的空間利用率,提高到了60%,這一特性直接讓刀片電池成組后的系統能量密度提升了50%。加上磷酸鐵鋰電池原本在耐用性方面就十分優秀,新的電池產品能夠擁有8年120萬公里的循環壽命,綜合性能直追當下先進的NCM/NCA 811三元鋰電池。

空姐按着她的腰强行坐下去在安全性方面,比亞迪對刀片電池進行了電池安全性驗證最嚴格的工序——針刺試驗,當一般方形電池因鋼針穿刺破壞內部結構產熱,產氣,甚至發生爆燃的時候,刀片電池卻仍然能夠維持穩定的溫度與電壓。以這種最極端的測試,比亞迪證明了刀片電池優秀的安全性能。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:比亞迪刀片電池接受針刺試驗)

伴隨著動力電池在新能源汽車上的應用,高能量密度與安全性“魚與熊掌”的矛盾一直以來長期存在,產業太久沒有看到一款二者可以兼得的產品。

空姐按着她的腰强行坐下去刀片電池的面世,不禁給人以希望,這款產品在一定程度上做到了上述矛盾點的統一。但是,它能夠徹底解決電動汽車續航里程與安全性方面的矛盾嗎?這會是開啟汽車電動化下一個時代的鑰匙嗎?

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網(公眾號:雷鋒網)新智駕注:蔚來ES8發生自燃,圖片來源InsideEVs)

電池安全問題頻發 引發消費者信任危機

自2019年4月開始,頻發的電動汽車自燃事件挑動著消費者與廠商的神經,蔚來、特斯拉、現代、保時捷等國內外知名汽車品牌的電動汽車先后中招,引發了消費者的信任危機。

空姐按着她的腰强行坐下去去年8月,新能源汽車國家大數據聯盟發布的《新能源汽車國家監管平臺大數據安全監管成果報告》顯示,在去年5月-7月期間,共有79輛電動汽車發生自燃,平均1天就有一輛電動汽車發生自燃事故。

空姐按着她的腰强行坐下去而這些事故背后的原因,均指向了電池的安全問題。

根據蔚來事后公布的調查結果,蔚來汽車在去年4月-6月期間發生的三起自燃事故,均是電池存在安全隱患所致。

具體來說,是寧德時代所提供的電池模組結構與電池包箱體產生干涉,電壓采樣線束存在由于個別走向不當而被模組上蓋板擠壓的可能性。極端情況下,電壓采樣線束的絕緣材料可能發生磨損,從而造成短路,存在安全隱患。

這批存在安全問題的電池模組導致蔚來召回了4803輛ES8車型,也令蔚來的品牌形象蒙上了一層陰霾。

特斯拉對于自家車型此前的自燃事件給出的調查結果也顯示,其車輛自燃的原因可能是由位于車輛前部的單個電池模組故障引起,認為松下所供應的動力電池模組存在缺陷。

此外,業內有觀點指出,現代Kona、保時捷Taycan等車型的自燃很大可能也與LG化學所供應的動力電池存在關聯。

寧德時代、松下、LG化學,當下動力電池產業三巨頭,在面對電池安全隱患的問題上,也顯得難以招架。

空姐按着她的腰强行坐下去動力電池產業的一位資深人士向新智駕透露,動力電池作為化學產品,而以人類認知為基礎的化學體系是有極限的,這導致動力電池始終存在小概率的安全隱患,以當前的技術情況,這種小概率事件無法完全消除,只能以工程學的方式進行彌補。

而電池的隱患總體可以分為三大類,一類是環境高溫,引起電池正負極的劇烈反應,反應會向可燃的電解液中示范大量的能量,并析出氧氣,導致電池膨脹、過熱甚至失火;一類則是外部的物理性破壞,導致電池隔膜貫穿,正負極直接接觸使得電池內短路,短時間內釋放大量電能(可轉換成熱能),導致電池熱失控;最后一類則是電池過充、過放導致的內部結構損壞,從而引發電池的熱失控。

空姐按着她的腰强行坐下去當下主流的電池企業都在從這些方面入手,尋找減少電池安全隱患的可行之道。不同的電池企業給出了四元鋰電池、固態電池、無鈷電池等解決方案。而刀片電池,就是比亞迪給出的最硬核的答案了。

刀片電池——電動車的動力革命

比亞迪的刀片電池,本質上對現階段的磷酸鐵鋰電池進行了理化結構上的再設計,在最大限度地保有磷酸鐵鋰電池安全特性的同時,對其系統能量密度進行了提升。

空姐按着她的腰强行坐下去從結構上來看,比亞迪將原本方形的磷酸鐵鋰電池做薄,同時大幅延伸了電池的長度。

空姐按着她的腰强行坐下去根據比亞迪目前掌握的專利信息來看,其電芯的具體尺寸應該是高118mm、厚13.5mm、長度在435mm-2500mm之間,可根據不同的車型進行定制。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:比亞迪刀片電池產線)

電芯外部仍是輕量且經濟的鋁制外殼,向里一層是隔離膜袋,內部根據長度不同會有數量不等的極芯組。在電芯成組方面,比亞迪繞過了一般需要進行模組封裝的步驟,選擇直接以電芯的形式集成稱電池包。

比亞迪副總裁、弗迪電池總裁何龍指出,刀片電芯長電池與蜂窩鋁板殼體的保護結構相結合,形成了剛度較強的結構件,電池本身不易發生形變,而高強度的電池本身可以成為支撐電動汽車底盤結構的梁,提升了底盤的結構強度。

同時,直列式的刀片電池排布,也能夠擴大電池組的散熱面積,配合面板式液冷系統,避免了熱量堆積可能引起的電池熱失控。

從材料方面來看,比亞迪在高風險安全點位全面使用了耐高溫與絕緣性強的陶瓷涂層,對電池的級耳、極柱、隔膜進行了保護。

空姐按着她的腰强行坐下去陶瓷材料阻斷了內部極端情況下的劇烈反應,舉例而言,普通的磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池在大功率放電時,電池內部會形成鋰枝晶,刺穿隔膜,導致電池內部短路,引發火災;而陶瓷隔膜在強度與反應活性上均較弱,不易被鋰枝晶刺穿,從而減小了這種意外發生的概率。

即便隔膜因為外力損壞,電極處的涂層也能夠減小反應的距離程度,從而保障電池的安全。

空姐按着她的腰强行坐下去從生產工藝方面來看,比亞迪在刀片電池上首次實踐了疊片生產工藝,從量產情況來推測,該公司很可能已經解決了疊片工藝速度慢、一致性差的問題。

那么疊片工藝對比傳統的卷繞式生產工藝又具備了一定優勢。

首先,疊片工藝電芯生產的角度來看,能夠最大限度的利用鋁殼內部的空間,而卷繞式工藝則會在鋁殼的四個角處留有一定的空隙,采用疊片工藝生產的電池在電芯能量密度上能夠提升5%左右。

其次,因為在疊片工藝生產過程中,極片經歷了更少的形變,循環壽命能夠提升約10%。最后,疊片工藝生產的電池邊緣結構更加簡單,尤其適合方形成組,電池安全性更高。

疊片工藝的三大優勢幫助比亞迪的刀片電池在能量密度、循環壽命與安全性方面取得了進一步的提升。

得益于結構、材料、生產工藝三方面的領先,比亞迪刀片電池的電芯能量密度在理論層面能做到450Wh/L左右(大約為190Wh/kg),與當下NCM/NCA 811三元鋰電池能量密度相當,遠超過目前能量密度平均在140Wh/kg的磷酸鐵鋰電池。

同時,由于成組過程中,無模組的設計,刀片電池的電池包體積利用率達到了60%以上,對比一般磷酸鐵鋰電池提升了50%,系統的能量密度相比于一般的方形磷酸鐵鋰電池也更高,大約為160Wh/kg。

在循環壽命層面,比亞迪刀片電池大約擁有3000次的充放電循環次數,優于循環次數僅為1000次左右的三元鋰電池,比一般循環次數在2500次左右的磷酸鐵鋰電池也更強。

值得一提的是,比亞迪這次在電池管理系統上也下了功夫,有業內人士認為,比亞迪此次推出的刀片電池很可能會采用其最新的IGBT 4.0模塊對充放電進行控制。據了解,比亞迪IGBT 4.0模塊的算力與目前業內先進的英飛凌等汽車半導體巨頭相當。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:比亞迪漢)

空姐按着她的腰强行坐下去先進的技術如果停留在紙上談兵的階段,那刀片電池的未來一切還尚未可知。但比亞迪已經蓄勢待發許久的比亞迪漢很快就將搭載刀片電池上市,從目前公布的數據來看,比亞迪漢的工況續航里程超過了600公里,甚至優于搭載松下NCA 811電池的特斯拉Model 3(長續航版為595公里)。

空姐按着她的腰强行坐下去一定程度上說明,刀片電池在“實戰”中的表現已經與三元鋰電池相當。并且,由于刀片電池采用的仍是磷酸鐵鋰體系,在成本、穩定性等方面還要優于三元鋰。

空姐按着她的腰强行坐下去可以預見,動力電池產業的技術路線或許將要發生變革,一場電動汽車的動力革命已經在醞釀之中。

刀片電池過針刺后,仍能正常工作

為證明刀片電池的安全性,比亞迪在發布會當天,首次公布了刀片電池經歷“針刺試驗”的完整視頻。

所謂針刺試驗,是一項驗證極端情況下電池安全性的測試方法,被業內認為是最嚴苛的動力電池測試方法。

根據GB/T 31485-2105彈體恤電極針刺試驗方法要求,需要在電池充滿電的情況下,以直徑5-8mm的耐高溫鋼針,以20mm/s-30mm/s的速度垂直于電池極板方向進行穿刺,穿刺位置需靠近極板幾何面中心,鋼針需停留在電池內1小時,合格標準是不爆炸、不起火。

但在最新國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》的報批稿中,這項試驗被取消。業界猜測主要是針刺試驗過于苛刻,導致三元鋰電池無法通過正常測試,因此暫時把這項試驗列為非強制標準。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:三元鋰電池針刺試驗)

不過比亞迪認為,針刺試驗與消費者的現實使用環境有著非常強的關聯性。

動力電池在實際應用場景中,存在異物刺入電池引發短路的可能,當鋼針刺入電池,正負極通過鋼針直接產生連接,發生短路,模擬了異物刺入電池的情況。如果電池無法通過針刺試驗,那么在現實場景中遇到類似的情況,動力電池的安全隱患其實非常大。

因此,比亞迪對刀片電池進行了針刺試驗,在測試過程中,比亞迪將三元鋰電池與一般的磷酸鐵鋰電池作為對照組,以相同方法進行了測試。

結果顯示,三元鋰電池在鋼針刺入的4秒內迅速發生膨脹,泄壓閥排出大量氣體,并在第6秒發生爆炸,放置在三元鋰電池表面的生雞蛋還沒來得及烤熟已經被炸飛。電池電壓也迅速從4.2V下降至0V,在10秒之內,電池內部溫度從24攝氏度迅速上升至200攝氏度,并且持續上升,最終表面溫度超過了500攝氏度。

方形磷酸鐵鋰電池在鋼針刺入的前10秒沒有發生明顯的變化,但隨著鋼針完全穿透,電池電壓也迅速從3.37V下降至0V,伴隨著冒煙,泄壓閥大量排氣等現象發生。最終,方形磷酸鐵鋰電池表面的雞蛋被烤熟,表面溫度達到了200攝氏度-400攝氏度。可見,方形磷酸鐵鋰電池也沒能通過針刺試驗。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:方形磷酸鐵鋰電池針刺試驗)

刀片電池在鋼針刺入后的15分鐘內,電壓無明顯變化,而表面溫度僅上升了5攝氏度左右,仍能正常工作,沒有伴隨明顯的不良反應,甚至表面的雞蛋都沒有發生明顯變化。

刀片電池:通往汽車電動化下一個時代的鑰匙?

(雷鋒網新智駕注:刀片電池針刺試驗)

由此可見,刀片電池在應對針刺試驗時表現得最為出色,現實中最不容易被異物刺入引起電池內短路。而目前主流的三元鋰電池與方形磷酸鐵鋰電池面對這種情況時,則存在著不小的安全隱患。

如果搭載刀片電池的新能源車型成功下線,那無疑是打破了困擾新能源汽車產業已久的安全問題,將新能源汽車的安全性提升到了一個新的高度。

結語:刀片電池會成為通往汽車電動化下個時代的鑰匙嗎?

毫無疑問,刀片電池的面世將對目前的技術體系、市場與供應鏈形成沖擊。

這款電池擁有比肩NCM/NCA 811三元鋰電池的系統能量密度,同時安全性遠超三元鋰電池體系,一旦落地,將會很快進行推廣應用。

空姐按着她的腰强行坐下去而這一現象將會對現有的技術體系、市場與供應鏈形成強有力的沖擊。

在技術體系方面,刀片電池將會為整車研發帶來一系列的優勢,扁平的設計將能夠擴大座艙空間,降低整車風阻,同時提高整車離地高度,增加通行性。但也要求整車廠必須設計全新的純電平臺,為刀片電池提供良好的載體,大同車量與電池的平臺化設計

空姐按着她的腰强行坐下去在市場方面,刀片電池憑借不弱于三元鋰的能量密度與出色的安全性,可能會在一段時間內侵占三元鋰電池的市場,所有廠商必須盡快調整策略,以防被市場落下,磷酸鐵鋰電池將會煥發“第二春”。

而在供應鏈方面,刀片電池將會改變目前以三元鋰為主的上游礦業,以方形電池、圓柱形電池為主的中游殼體、材料生產商,要求這些廠商迅速為刀片電池形成配套,以保證在未來一段時間里,自身在供應鏈中的地位。

刀片電池在當下的動力電池產業中扮演的更像是一個承上啟下的角色。

對現有的技術體系而言,刀片電池解決了困擾產業已久的安全性的問題,同時擁有著不錯的能量密度,具備投入產業的實用價值。

對未來的技術體系而言,刀片電池提供了從結構上進行創新的新思路,讓產業不必局限于材料創新帶來的突破。

但刀片電池仍然不是電動汽車動力電池的最終解決方案,材料本身的活性決定了磷酸鐵鋰的局限性,它注定只是屬于未來2-3年的技術路線。而更遠的未來,固態電池、鋰硫電池、鋰空電池會接過接力棒,成為新能源汽車動力電池更加可靠的解決方案。

不過,無論如何,動力電池產業的每一次創新都將推動我們離汽車電動化的時代更近一步。


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