刀片电池:通往汽车电动化下一个时代的钥匙?

来源:雷锋网 本文作者:Dude  ·  时间:2020-04-07 16:24:55  ·  3723 浏览

(雷锋网新智驾注:比亚迪刀片电池)


在三月的最后一个周末,比亚迪朝着动力电池产业扔下了一颗“深水炸弹”。

3月29日,“电池大王”王传福,带着他最得意的作品——刀片电池,重回产业焦点,叫板三元锂电池,宣称要对整个新能源汽车产业发起一场纠偏运动。

所谓刀片电池,其实是一种对电芯厚度进行减薄,长度进行加宽后,扁平化设计的磷酸铁锂电池。

比亚迪的相关专利数据显示,这款电池产品的高度为118mm、厚度为13.5mm、长度则可以在435mm-2500mm之间进行定制。因其长而薄的形状酷似刀片,因此得名刀片电池。

但如果只是对尺寸进行了再设计,那这款电池便称不上“能够改变产业的产品”。

在电池内部,比亚迪通过“蜂窝铝板结构”对电芯的机械强度进行了补强,使之能够不依赖电池模组,单独排列在电池包内部。

在省去模组之后,刀片电池在电池包中的空间利用率大幅提升,从传统电池40%的空间利用率,提高到了60%,这一特性直接让刀片电池成组后的系统能量密度提升了50%。加上磷酸铁锂电池原本在耐用性方面就十分优秀,新的电池产品能够拥有8年120万公里的循环寿命,综合性能直追当下先进的NCM/NCA 811三元锂电池。

在安全性方面,比亚迪对刀片电池进行了电池安全性验证最严格的工序——针刺试验,当一般方形电池因钢针穿刺破坏内部结构产热,产气,甚至发生爆燃的时候,刀片电池却仍然能够维持稳定的温度与电压。以这种最极端的测试,比亚迪证明了刀片电池优秀的安全性能。

     (雷锋网新智驾注:比亚迪刀片电池接受针刺试验)


伴随着动力电池在新能源汽车上的应用,高能量密度与安全性“鱼与熊掌”的矛盾一直以来长期存在,产业太久没有看到一款二者可以兼得的产品。

刀片电池的面世,不禁给人以希望,这款产品在一定程度上做到了上述矛盾点的统一。但是,它能够彻底解决电动汽车续航里程与安全性方面的矛盾吗?这会是开启汽车电动化下一个时代的钥匙吗?

     (雷锋网(公众号:雷锋网)新智驾注:蔚来ES8发生自燃,图片来源InsideEVs)


电池安全问题频发 引发消费者信任危机

自2019年4月开始,频发的电动汽车自燃事件挑动着消费者与厂商的神经,蔚来、特斯拉、现代、保时捷等国内外知名汽车品牌的电动汽车先后中招,引发了消费者的信任危机。

去年8月,新能源汽车国家大数据联盟发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示,在去年5月-7月期间,共有79辆电动汽车发生自燃,平均1天就有一辆电动汽车发生自燃事故。

而这些事故背后的原因,均指向了电池的安全问题。

根据蔚来事后公布的调查结果,蔚来汽车在去年4月-6月期间发生的三起自燃事故,均是电池存在安全隐患所致。

具体来说,是宁德时代所提供的电池模组结构与电池包箱体产生干涉,电压采样线束存在由于个别走向不当而被模组上盖板挤压的可能性。极端情况下,电压采样线束的绝缘材料可能发生磨损,从而造成短路,存在安全隐患。

这批存在安全问题的电池模组导致蔚来召回了4803辆ES8车型,也令蔚来的品牌形象蒙上了一层阴霾。

特斯拉对于自家车型此前的自燃事件给出的调查结果也显示,其车辆自燃的原因可能是由位于车辆前部的单个电池模组故障引起,认为松下所供应的动力电池模组存在缺陷。

此外,业内有观点指出,现代Kona、保时捷Taycan等车型的自燃很大可能也与LG化学所供应的动力电池存在关联。

宁德时代、松下、LG化学,当下动力电池产业三巨头,在面对电池安全隐患的问题上,也显得难以招架。

动力电池产业的一位资深人士向新智驾透露,动力电池作为化学产品,而以人类认知为基础的化学体系是有极限的,这导致动力电池始终存在小概率的安全隐患,以当前的技术情况,这种小概率事件无法完全消除,只能以工程学的方式进行弥补。

而电池的隐患总体可以分为三大类,一类是环境高温,引起电池正负极的剧烈反应,反应会向可燃的电解液中示范大量的能量,并析出氧气,导致电池膨胀、过热甚至失火;一类则是外部的物理性破坏,导致电池隔膜贯穿,正负极直接接触使得电池内短路,短时间内释放大量电能(可转换成热能),导致电池热失控;最后一类则是电池过充、过放导致的内部结构损坏,从而引发电池的热失控。

当下主流的电池企业都在从这些方面入手,寻找减少电池安全隐患的可行之道。不同的电池企业给出了四元锂电池、固态电池、无钴电池等解决方案。而刀片电池,就是比亚迪给出的最硬核的答案了。
刀片电池——电动车的动力革命

比亚迪的刀片电池,本质上对现阶段的磷酸铁锂电池进行了理化结构上的再设计,在最大限度地保有磷酸铁锂电池安全特性的同时,对其系统能量密度进行了提升。

从结构上来看,比亚迪将原本方形的磷酸铁锂电池做薄,同时大幅延伸了电池的长度。

根据比亚迪目前掌握的专利信息来看,其电芯的具体尺寸应该是高118mm、厚13.5mm、长度在435mm-2500mm之间,可根据不同的车型进行定制。

(雷锋网新智驾注:比亚迪刀片电池产线)


电芯外部仍是轻量且经济的铝制外壳,向里一层是隔离膜袋,内部根据长度不同会有数量不等的极芯组。在电芯成组方面,比亚迪绕过了一般需要进行模组封装的步骤,选择直接以电芯的形式集成称电池包。

比亚迪副总裁、弗迪电池总裁何龙指出,刀片电芯长电池与蜂窝铝板壳体的保护结构相结合,形成了刚度较强的结构件,电池本身不易发生形变,而高强度的电池本身可以成为支撑电动汽车底盘结构的梁,提升了底盘的结构强度。

同时,直列式的刀片电池排布,也能够扩大电池组的散热面积,配合面板式液冷系统,避免了热量堆积可能引起的电池热失控。

从材料方面来看,比亚迪在高风险安全点位全面使用了耐高温与绝缘性强的陶瓷涂层,对电池的级耳、极柱、隔膜进行了保护。

陶瓷材料阻断了内部极端情况下的剧烈反应,举例而言,普通的磷酸铁锂电池与三元锂电池在大功率放电时,电池内部会形成锂枝晶,刺穿隔膜,导致电池内部短路,引发火灾;而陶瓷隔膜在强度与反应活性上均较弱,不易被锂枝晶刺穿,从而减小了这种意外发生的概率。

即便隔膜因为外力损坏,电极处的涂层也能够减小反应的距离程度,从而保障电池的安全。

从生产工艺方面来看,比亚迪在刀片电池上首次实践了叠片生产工艺,从量产情况来推测,该公司很可能已经解决了叠片工艺速度慢、一致性差的问题。

那么叠片工艺对比传统的卷绕式生产工艺又具备了一定优势。

首先,叠片工艺电芯生产的角度来看,能够最大限度的利用铝壳内部的空间,而卷绕式工艺则会在铝壳的四个角处留有一定的空隙,采用叠片工艺生产的电池在电芯能量密度上能够提升5%左右。

其次,因为在叠片工艺生产过程中,极片经历了更少的形变,循环寿命能够提升约10%。最后,叠片工艺生产的电池边缘结构更加简单,尤其适合方形成组,电池安全性更高。

叠片工艺的三大优势帮助比亚迪的刀片电池在能量密度、循环寿命与安全性方面取得了进一步的提升。

得益于结构、材料、生产工艺三方面的领先,比亚迪刀片电池的电芯能量密度在理论层面能做到450Wh/L左右(大约为190Wh/kg),与当下NCM/NCA 811三元锂电池能量密度相当,远超过目前能量密度平均在140Wh/kg的磷酸铁锂电池。

同时,由于成组过程中,无模组的设计,刀片电池的电池包体积利用率达到了60%以上,对比一般磷酸铁锂电池提升了50%,系统的能量密度相比于一般的方形磷酸铁锂电池也更高,大约为160Wh/kg。

在循环寿命层面,比亚迪刀片电池大约拥有3000次的充放电循环次数,优于循环次数仅为1000次左右的三元锂电池,比一般循环次数在2500次左右的磷酸铁锂电池也更强。

值得一提的是,比亚迪这次在电池管理系统上也下了功夫,有业内人士认为,比亚迪此次推出的刀片电池很可能会采用其最新的IGBT 4.0模块对充放电进行控制。据了解,比亚迪IGBT 4.0模块的算力与目前业内先进的英飞凌等汽车半导体巨头相当。

(雷锋网新智驾注:比亚迪汉)


先进的技术如果停留在纸上谈兵的阶段,那刀片电池的未来一切还尚未可知。但比亚迪已经蓄势待发许久的比亚迪汉很快就将搭载刀片电池上市,从目前公布的数据来看,比亚迪汉的工况续航里程超过了600公里,甚至优于搭载松下NCA 811电池的特斯拉Model 3(长续航版为595公里)。

一定程度上说明,刀片电池在“实战”中的表现已经与三元锂电池相当。并且,由于刀片电池采用的仍是磷酸铁锂体系,在成本、稳定性等方面还要优于三元锂。

可以预见,动力电池产业的技术路线或许将要发生变革,一场电动汽车的动力革命已经在酝酿之中。
刀片电池过针刺后,仍能正常工作

为证明刀片电池的安全性,比亚迪在发布会当天,首次公布了刀片电池经历“针刺试验”的完整视频。

所谓针刺试验,是一项验证极端情况下电池安全性的测试方法,被业内认为是最严苛的动力电池测试方法。

根据GB/T 31485-2105弹体恤电极针刺试验方法要求,需要在电池充满电的情况下,以直径5-8mm的耐高温钢针,以20mm/s-30mm/s的速度垂直于电池极板方向进行穿刺,穿刺位置需靠近极板几何面中心,钢针需停留在电池内1小时,合格标准是不爆炸、不起火。

但在最新国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》的报批稿中,这项试验被取消。业界猜测主要是针刺试验过于苛刻,导致三元锂电池无法通过正常测试,因此暂时把这项试验列为非强制标准。

(雷锋网新智驾注:三元锂电池针刺试验)


不过比亚迪认为,针刺试验与消费者的现实使用环境有着非常强的关联性。

动力电池在实际应用场景中,存在异物刺入电池引发短路的可能,当钢针刺入电池,正负极通过钢针直接产生连接,发生短路,模拟了异物刺入电池的情况。如果电池无法通过针刺试验,那么在现实场景中遇到类似的情况,动力电池的安全隐患其实非常大。

因此,比亚迪对刀片电池进行了针刺试验,在测试过程中,比亚迪将三元锂电池与一般的磷酸铁锂电池作为对照组,以相同方法进行了测试。

结果显示,三元锂电池在钢针刺入的4秒内迅速发生膨胀,泄压阀排出大量气体,并在第6秒发生爆炸,放置在三元锂电池表面的生鸡蛋还没来得及烤熟已经被炸飞。电池电压也迅速从4.2V下降至0V,在10秒之内,电池内部温度从24摄氏度迅速上升至200摄氏度,并且持续上升,最终表面温度超过了500摄氏度。

方形磷酸铁锂电池在钢针刺入的前10秒没有发生明显的变化,但随着钢针完全穿透,电池电压也迅速从3.37V下降至0V,伴随着冒烟,泄压阀大量排气等现象发生。最终,方形磷酸铁锂电池表面的鸡蛋被烤熟,表面温度达到了200摄氏度-400摄氏度。可见,方形磷酸铁锂电池也没能通过针刺试验。

(雷锋网新智驾注:方形磷酸铁锂电池针刺试验)


刀片电池在钢针刺入后的15分钟内,电压无明显变化,而表面温度仅上升了5摄氏度左右,仍能正常工作,没有伴随明显的不良反应,甚至表面的鸡蛋都没有发生明显变化。

(雷锋网新智驾注:刀片电池针刺试验)


由此可见,刀片电池在应对针刺试验时表现得最为出色,现实中最不容易被异物刺入引起电池内短路。而目前主流的三元锂电池与方形磷酸铁锂电池面对这种情况时,则存在着不小的安全隐患。

如果搭载刀片电池的新能源车型成功下线,那无疑是打破了困扰新能源汽车产业已久的安全问题,将新能源汽车的安全性提升到了一个新的高度。

结语:刀片电池会成为通往汽车电动化下个时代的钥匙吗?

毫无疑问,刀片电池的面世将对目前的技术体系、市场与供应链形成冲击。

这款电池拥有比肩NCM/NCA 811三元锂电池的系统能量密度,同时安全性远超三元锂电池体系,一旦落地,将会很快进行推广应用。

而这一现象将会对现有的技术体系、市场与供应链形成强有力的冲击。

在技术体系方面,刀片电池将会为整车研发带来一系列的优势,扁平的设计将能够扩大座舱空间,降低整车风阻,同时提高整车离地高度,增加通行性。但也要求整车厂必须设计全新的纯电平台,为刀片电池提供良好的载体,大同车量与电池的平台化设计

在市场方面,刀片电池凭借不弱于三元锂的能量密度与出色的安全性,可能会在一段时间内侵占三元锂电池的市场,所有厂商必须尽快调整策略,以防被市场落下,磷酸铁锂电池将会焕发“第二春”。

而在供应链方面,刀片电池将会改变目前以三元锂为主的上游矿业,以方形电池、圆柱形电池为主的中游壳体、材料生产商,要求这些厂商迅速为刀片电池形成配套,以保证在未来一段时间里,自身在供应链中的地位。

刀片电池在当下的动力电池产业中扮演的更像是一个承上启下的角色。

对现有的技术体系而言,刀片电池解决了困扰产业已久的安全性的问题,同时拥有着不错的能量密度,具备投入产业的实用价值。

对未来的技术体系而言,刀片电池提供了从结构上进行创新的新思路,让产业不必局限于材料创新带来的突破。

但刀片电池仍然不是电动汽车动力电池的最终解决方案,材料本身的活性决定了磷酸铁锂的局限性,它注定只是属于未来2-3年的技术路线。而更远的未来,固态电池、锂硫电池、锂空电池会接过接力棒,成为新能源汽车动力电池更加可靠的解决方案。

不过,无论如何,动力电池产业的每一次创新都将推动我们离汽车电动化的时代更近一步。


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