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钢针刺穿刀片电池结果惊呆了被比亚迪狠狠上了一课

时间:2022-11-03 18:20:52 | 浏览:800

【太平洋汽车网 技术频道】当许多人对磷酸铁锂嗤之以鼻的时候,比亚迪默默拿出了新的电池结构成果——刀片电池,继续坚守磷酸铁锂电芯这条技术路线。刀片电池究竟有什么样的魅力呢?这么说吧,2008年比亚迪推出了搭载磷酸铁锂电池的纯电动车比亚迪e6,

【太平洋汽车网 技术频道】当许多人对磷酸铁锂嗤之以鼻的时候,比亚迪默默拿出了新的电池结构成果——刀片电池,继续坚守磷酸铁锂电芯这条技术路线。刀片电池究竟有什么样的魅力呢?这么说吧,2008年比亚迪推出了搭载磷酸铁锂电池的纯电动车比亚迪e6,电池单体容量是45Ah。而2020年首搭于比亚迪汉的磷酸铁锂电池,在电池单体体积变化不大的前提下电池单体容量为138.5Ah,并且电池包的体积利用率从40%提升到60!这就是刀片电池结构的最直观明显的提升。

当高安全性的磷酸铁锂电池解决了能量密度低的问题之后,这便意味着,从前磷酸铁锂电池主要用于电动商用车、电动乘用车用三元锂电池的局面将会被打破。

刀片电池是什么

电动车传统电池包内部采用的是由多个电芯组成的模组,再将模组安装到带有横梁、纵梁的外壳上,组合成电池包,形成了电芯-模组-电池包三级装配模式,从模组到横梁、纵梁都占用了寸土寸金的电池包空间,限制了电池包能量密度的提升。

而“刀片电池”采用的就是大家既陌生又熟悉的CTP(Cell to Pack)无模组结构设计,省去了中间模组环节,直接将电芯集成为电池包。如果将比亚迪汉的电池包拆解开来,我们可以得到一堆长度1米,宽度10厘米,厚度不到2厘米的电池单体,这些电池单体紧密排在一起,就像“刀片”一样插进电池包,所以才得名刀片电池。

并且电池包内部几乎没有横梁或纵梁,薄如刀片的磷酸铁锂电池组合起来就能起到提升电池包整体结构强度的作用。于是,寸土寸金的电池包内部得以安装更多块电池单体,体积利用率得到极大提升,电池包总容量也就提上来了。在采用磷酸铁锂电芯的前提下,刀片电池结构将磷酸铁锂电池的容量/续航水平拔高到了和三元锂电池的同一水平线。

回到我们的第一个问题刀片电池是什么?其实一句话就能说清,刀片电池代表的是一种新的电池结构,其意义就在于通过改变电池结构的方式提高了电池的体积利用率。那么就会有人开始想到,三元锂电池是否也可以采用刀片电池结构呢?

我们从弗迪电池工程师的口中了解到,在弗迪电池当前技术储备下,三元锂电池也是可以做成刀片电池结构,但弗迪没有采用三元锂电芯路线的主要原因还是耐高温性能不如磷酸铁锂材料,为了弥补三元锂电池的热安全性,在设计电池包时需要预留更多的空间设计防火墙。

而采用磷酸铁锂正极材料会有哪些优势?在电动车常用的两种主流电池当中,磷酸铁锂材料本身具有放热启动温度高、放热慢、产热少、材料在分解过程中不释放氧气难以起火这四大优势。打个比方,在500℃温度下,磷酸铁锂材料结构还非常稳定,但三元锂材料在200℃左右时就会发生分解,产生剧烈的化学反应释放氧分子,引发热失控。

从电池材料热安全的角度来看,磷酸铁锂有天然优势,但过去磷酸铁锂电池的能量密度远不及三元锂,最终还是在新能源汽车电池补贴大战敌不过三元锂电。刀片电池结构的出现将扭转这一态势,使得其在发挥热安全优势的前提下,缩小与三元锂电池的能量密度差距甚至持平。

据弗迪电池介绍,搭载在汉EV的刀片电池包在热扩散试验当中的表现也优秀,在强制引发位于中间的电池热失控至350℃后,邻近电池表面温度最高也才80℃,没有起火、爆炸发生。

说完优点,其实磷酸铁锂材料也并且没有短板,在极端低温环境下,三元锂的放电容量明显高于磷酸铁锂,在零下20℃的条件下,磷酸铁锂的释放的电量会大打折扣。并且在低温低电量条件下的充电功率,磷酸铁锂要低于三元锂,低温环境简直是磷酸铁锂的天敌。

不过据弗迪电池的介绍,经过优化后的热管理系统可以保证刀片电池包在-35℃的极端低温环境下仍能够保持在最佳工作状态。

因为针刺实验,两个电池巨头杠上了

说到针刺实验就不得不提一提比亚迪和宁德时代的“旷世大战“,我们先来简单回顾一下吃瓜要点。故事要从比亚迪3月29日的那场刀片电池发布会开始说起,笔者当时坐在电脑面前看直播都能闻到浓浓的火药味,比亚迪宣称要改变行业对三元锂电池的依赖,将动力电池的技术路线回归正道!

并展示了刀片电池与三元锂电池的针刺实验对比视频,实验结果令人大跌眼镜:三元锂电池剧烈燃烧,表面温度瞬间超过500℃,电池表面的鸡蛋被炸飞;而比亚迪的刀片电池就像没事发生,表面温度30~60℃。在这场直播中虽没点名道姓,但明眼人都知道三元锂电池市场份额最大的正是比亚迪电池最大的对手——宁德时代。

直到5月11日,在宁德时代的财报峰会上,宁德时代董事长曾毓群直言:电池的安全和电池的滥用测试是两回事,但有些人把滥用测试通过等同于电池安全。宁德时代的回应,瞬间将事件推向高潮,随后这两家电池巨头在微博上展开了激烈的隔空互怼。

其实比亚迪与宁德时代的争论的根源莫过于针刺实验对于验证电池安全到底有没有用?

在《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》2015版国标当中,是存在电池单体针刺测试这一项目的。但随着大家都转而投向能量密度高的三元锂电池,国家不得不对这项法规进行修订。在最新强制性国标中,删除了电池单体针刺测试,取而代之的是电池系统热扩散试验。在热扩散试验中,可以自行选择加热触发热失控,或者针刺触发热失控,也就是针刺测试变成了一门选修课。

用一根大直径钢针刺穿电池,模拟电池短路进而触发热失控,是目前为止最严苛的测试方法,而且无论从钢针直径、刺穿速度来看,我们的国标测试方法在国际上都是最为严苛的。

带着针刺实验的疑惑,笔者来到了比亚迪位于重庆的弗迪电池工厂,亲眼目睹了针刺实验的整个过程。在针刺实验开始前,刀片电池和三元锂两种电池都已经是满电状态,刀片电池满电状态电压为3.4v,三元锂电池也达到了满电状态的4.16v。

首先开始进行测试的是三元锂电池,在调试完测试设备,一切准备就绪后,试验工程师回到指挥间。只听工程师一声令下,还没等我们反应过来,隔着玻璃的隔壁试验间就传来了猛烈的爆炸声。三元锂电池一扎就爆了,针刺点被瞬间炸飞导致针刺温度未采集到。

之后用同样的方法测试刀片电池,场面毫无波澜,没有明烟明火。我甚至一度怀疑针刺试验是否已经开始,但从监控及玻璃房中可以清晰地看到钢针确实已经穿透刀片电池了。

由于刀片电池两端较长,电压处于缓慢释放的过程,安全阀温度也只是缓慢上升,2分钟后针刺点温度也才上升至33℃,安全阀温度上升至22℃左右。

1米长的刀片电池为何别人做不出?

刀片电池的概念并不新鲜,但想走出实验室量产装车就不是一件简单的事了。刀片电池最难最核心的部分其实是在于叠片工艺,不同于传统电池所采用的缠绕工艺。叠片工艺是把正极、负极材料切成小片与陶瓷隔膜合成小个电芯单体,然后将多个小电芯单体堆叠成一个大电芯单体。这样一来,叠片工艺赐予了刀片电池的高能量密度,但这种做法的成本也更为昂贵且麻烦。

因此刀片电池难点不在于整个电池结构的设计,而是辊压、叠片、切片等工艺的开发,由于市面上现有的叠片机最多只能做到600mm长,远远满足不了比亚迪刀片电池1米长的极片,因此这种叠片采用的是比亚迪完全独立自主开发的设备和裁切方案。

除叠片之外,刀片电池生产过程中的配料、涂布、辊压、检测等其他工艺都达到了顶尖水平。例如,配料系统的精度在0.2%以内;双面同时涂布,涂布最大宽度达1300mm、单位面积涂敷重量偏差小于1%;1200mm超大幅宽的辊压速度可达120m/min,厚度控制2μm以内,确保宽尺寸极片厚度的一致性。

总结

第一个吃螃蟹的人是令人佩服的,比亚迪刀片电池的横空出世,让刀片电池跟比亚迪划上了等号,刀片电池虽不是比亚迪率先提出的,但当大家闲暇谈论起刀片电池时,率先想到的一定是比亚迪。在大家都认为磷酸铁锂电池该被淘汰时,比亚迪的刀片电池狠狠地给我们上了一课。(图/文/摄:太平洋汽车网 张景森)

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