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刀片電池永不燃?

「把’自燃’這個詞從新能源汽車的字典里徹底抹掉。」上周日,當比亞迪董事長王傳福在比刀片電池上市發布會上說出這句話時,電動圈瞬間「炸」了。

更「炸」的是比亞迪隨后公開的三種動力電池(三元鋰電池、磷酸鐵鋰塊狀電池、刀片電池)一刀未剪針刺實驗視頻。視頻中:

三元鋰電池:劇烈燃燒,表面溫度超過500攝氏度,電池表面的雞蛋被炸飛;

磷酸鐵鋰電池:無明火,有煙,表面溫度200-400攝氏度,電池表面的雞蛋被烤焦;

比亞迪刀片電池:無明火,無煙,表面溫度30-60攝氏度,電池表面的雞蛋無變化。

為何三種電池在視頻中的差異如此之大?

原因首先來自材料特性。《Journal of Power Sources》一篇論文指出,鋰電池在內部短路時,最多 70% 能量會在最快 60 秒內釋放。活性越高的電池,釋放時間越短。

舉個例子,一個 50 KWh 電池組發生針刺造成的內部短路,瞬時能量外泄的功率可以達到 2100 KW,相當于 500 個家用燃氣灶的最大能量釋放功率。

三元鋰電池活性高,由于材料特性、達到分解溫度后還會釋放氧氣,進而會加速高溫作用下的連鎖熱失控。

雖然技術上已經可以有效降低失控風險。但在遭遇類似針刺這樣的擊穿事故時,卻很難避免視頻中的激烈燃燒。

磷酸鐵鋰塊狀電池活性相對更低,脾氣也要比三元鋰好很多。

首先是傳熱啟動溫度高, 500 度以下材料都比較穩定;其次是放熱慢、產熱少,分解時也不釋放氧氣。

因此針刺時雖然冒煙了,表面溫度也去到 200 度,但并未出現明火。

那同樣是磷酸鐵鋰材料的刀片電池,為何針刺后表面雞蛋都無變化?

中國科學院院士歐陽明高在發布會直播時給了一個解釋。

他說,刀片電池采取了長條形電芯的設計,所以散熱面積比較大;另外一方面,它的短路回路長,所以產熱能力也相對下降。一方面產熱下降,另一方面散熱加強,刀片電池的溫升速率就會比較小,進而表現「非常優異」。

看完視頻,我們意識到,這是比亞迪蟄伏兩年后在動力電池技術路線上的大反攻。用王傳福的話說,就是撥亂反正、糾偏,要讓「刀片電池引領全球動力電池安全新高度」。

反正,糾偏的對象是三元鋰電池路線,無論是鎳鈷錳還是鎳鈷鋁 。

但到底什么是刀片電池?「永不燃」的底氣在哪里?對消費者而言,又有什么意義?


一、什么是刀片電池?

動力電池是電動汽車的「心臟」。它的一個關鍵指標是能量密度。能量密度低,續航就低;續航低,就會有續航焦慮。

三元鋰電池超過曾占主導地位的磷酸鐵鋰電池,成為主流技術路線,就在于它的單體能量密度相較于磷酸鐵鋰而言有優勢。三元鋰電池的單體能量密度大致在 245 wh/kg 左右,磷酸鐵鋰單體能量密度則在 180 wh/kg 左右。

刀片電池電池包

但單體能量密度雖然關鍵,真正決定電動汽車續航的卻是系統(電池包)能量密度。

目前主流電池包都是模組式。里面除了大量單體電芯外,還包括結構件、支撐件、高壓、溫度控制件等。它們占據大量空間,與電芯一同組成電池包。

電池包能量密度、單體能量密度與續航的關系,可以用「糖水」和放入水中的「糖」來比擬——要讓糖水更甜(續航更長),一種方法是提升糖本身甜度(單體能量密度);另一種是讓杯中的水更少、糖更多。

刀片電池,就是讓「磷酸鐵鋰」電池體系變得「更甜」)的方法。

刀片電池示意圖

首先,刀片電池是一種「大電芯」制造工藝。電芯整體呈長條形,最長達到 2 米以上,是磷酸鐵鋰塊狀電池的近 10 倍。「大電芯」可以提升單體能量密度,也是目前全行業發展的方向。

其次,這是一種新的電池包封裝工藝。直接跳過模組,通過長電芯陣列來組成電池包,最大效率利用內部空間,提升系統能量密度。

「與傳統電池相比,刀片電池的空間利用率提升了 50 %。利用率越高,體積比能量密度就越大。」周日發布會,比亞迪副總裁、弗迪電池董事長何龍就專門談了這一點。

何龍說,傳統三元鋰電池的電池包空間利用率只有 40%,60% 的空間都用來做防護和鋪設零件了。而刀片電池通過取消模組,使得空間利用率達到了 60 % 。

如果用「糖水說」來比擬,就是新的制造工藝讓刀片電池的電芯「更甜」了;新的封裝工藝讓刀片電池電池包中的「水」更少了,「糖」更多了。

二者合力,使得比亞迪的刀片電池可以正面去 PK 下三元鋰電池。

比亞迪即將上市的旗艦車型「漢」就裝配了「刀片電池」,其 NEDC 續航里程高達 605 公里,是當下非常領先的數據。刀片電池的高壓放電能力也幫助「漢」的零百加速成績去到 3.9s,進入三秒俱樂部。

再多說兩句。

周日我們發微博,有網友評論刀片電池僅是一種封裝方式,沒什么技術壁壘。

其實,僅僅就制造和封裝工藝的改進而言,這已經是一種大進步。科技界也早有先例。

譬如,2011 年消費電子領域的電子晶體管危機。

發展了 70 年的電子晶體管在當時一直無法突破 30 納米以下工藝。最終是英特爾推出了全新的晶體管排列方式——3D 晶體管,才讓整個行業進入 22 納米制程。

方法看起來也很簡單,就是通過 3D 技術將晶體管打造成上下左右均可通過電流的長方體,從而使晶體管在同一時間可以通過更多的電流,而關閉時可以將電流損失降低至 0。

但正是這個技術,讓以硅為主要材料的晶體管迎來新生。制造工藝也從 22 納米發展至如今的 7 納米。

3D 晶體管也是一種制造工藝或者說封裝工藝,但在 intel 量產后,其他廠商卻花了兩年左右時間才追趕上來。刀片電池,一定意義上同樣如此。


二、刀片電池「永不燃」?


如前文所言,刀片電池解決磷酸鐵鋰電池包變得更「甜」了,能提供與三元鋰等同的續航里程。但電池包畢竟不是「糖水」,安全是與續航同樣重要的指標。尤其當「甜度」差別不大時。

周日發布會,比亞迪說的最多的其實是「安全」,而且很勁爆。我們開玩笑說比亞迪試圖用三個雞蛋將三元鋰電池體系按在地上摩擦。

先看看說了什么。

「將高能量密度三元電池的安全問題暴露無遺。」王傳福說。他認為之前電動汽車過分追求、攀比能量密度了,加上品控水平不一、三元材料本身特性,導致過去幾年電動汽車自燃、爆燃現象明顯增多,影響了消費者信心。

何龍同樣「犀利」,說針刺測試原本是國家強制標準,但因為三元電池過不了這個測試,所以又被拿掉了。「如果這個測試很容易通過,市場上就不會有這么多安全事故。」

上海地庫特斯拉Model S著火事件截圖

話尖銳,就不太好聽。但過去兩年,電動汽車自然、燃爆現象的確有所增加。最出名的,莫過于上海特斯拉燒地庫。即使是保時捷這樣的頂級汽車品牌,今年開春也爆出類似事故。

新國標也的確取消了強制性針刺實驗。

新國標將 2015 國標的 10 項測試項目(過放電、過充電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環、低氣壓)減少到 5 項(過放電、過充電、短路、加熱、擠壓、溫度循環)。針刺試驗,只被保留為可選項。

回到針刺實驗本身。

何龍說針刺實驗是「動力電池安全的珠穆朗瑪峰」。但實驗本身并不復雜,就是將電池充滿電后,用一根直徑 5mm 的耐高溫鋼針,穿透動力電池電芯,造成內部短路并維持 1 個小時,看會否起火、爆炸。

比亞迪還立了個 Flag,意思是除了比亞迪外,其他家都不敢這樣干。

相關的技術分析,文章開頭也說過。刀片電池「表現優異」,與磷酸鐵鋰的材料特性相關,也與刀片電池的獨特設計相關。

而這樣的「表現優異」,還不局限于針刺實驗這一種。

它還包括擠壓測試——擠壓模擬的是汽車在極端碰撞情況下的電池形變,刀片電池在被極度擠壓、甚至幾乎斷裂的情況下,依然沒有起火,只是冒煙。

爐溫測試——模擬車輛周圍出現火情的情況。將刀片電池從常溫加熱到 300 度時,沒有爆炸沒有起火。

過充測試——模擬充電時三級保護失效時,電池被連續不斷過充的情形。刀片電池過充至 260% ,沒有起火爆炸。

王傳福在討論環節說,不把安全做好,電動汽車行業的健康發展就是一句空話。電池安全實驗大概有幾百種,針刺實驗是最嚴苛的。而不管標準有何不同,比亞迪內部都會采用最嚴苛標準,將安全放在首位。

何龍則說刀片電池已得到了業內普遍認可,「幾乎你能想到的所有汽車品牌,都在和我們探討基于刀片電池技術的合作方案。」


三、另一種安全


王傳福發布會上還說一段意味深長的話:

我認為未來的電池應該具有幾個特點。第一是高安全性,沒有安全性就沒有這個行業;第二點應該有長續航、長壽命;第三個是它要對稀有的金屬依賴要小,我們發展電動車其中一個原因就是減少對石油的依賴,另外我們很多金屬也是很少的,像鈷金屬我們就很少。

前面兩點已經成為共識,真正耐人尋味的是第三點。

上圖是鈷金屬過去 5 年來的價格走勢。可以看出,最近 5 年鈷價的最低點和最高點相差超過 100%。如果鈷價暴漲的情景重現,動力電池的價格必將受到極大的影響。事實上,無鈷化已經是當下廠商努力的方向。特斯拉也在提「無鈷電池」。業界目前認為大概率也會是磷酸鐵鋰路線。

鎳的價格同樣在過去一年經歷過一輪暴漲暴跌。

鎳和鈷都是三元鋰電池不可或缺的元素。但相關報告指出,鎳、錳等10種礦產是我國短缺礦產,鈷、鉑族等9種礦產是我國嚴重短缺礦產。

中國電動汽車市場已經高居全球第一,如果動力電池正極材料嚴重依賴國際市場,被卡脖子是意料之中的。

四、結尾


比亞迪研發磷酸鐵鋰電池已經 15 年了。

雖然 2019 年比亞迪 10.757 Gwh 動力電池裝機量中,7.97 Gwh是三元,磷酸鐵鋰的只有 2.77 Gwh。

但刀片電池的發布,以及王傳福專利第一著作人的署名,卻說明比亞迪從未放棄磷酸鐵鋰的再研發。

弗迪系的浮出水面(弗迪電池、弗迪動力、弗迪科技、弗迪視覺和弗迪模具),以及何龍的那句「你能想到的所有汽車品牌,都在和我們探討基于刀片電池技術的合作方案」,更說明這是一場比亞迪掀起來的、動力電池領域的全面戰爭。

刀片電池是否真的「永不燃」?2020 年,又會否出現更多搭載「刀片電池」的電動汽車?

(完)

來源:第一電動網

作者:電動星球News蟹老板

本文地址:http://www.ferhc.com/kol/112786

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