真的不會起火？比亞迪刀片電池針刺實測，難怪特斯拉也想用……
技術 發布于：2020-06-04 16:59:45
眼下本當是疫情漸去、經濟復蘇促進汽車消費的好日子。無奈頻發的自燃事件，給欣欣向榮的汽車消費來了一記當頭棒喝。
僅上個月，先是東莞某貨車在充電時著火，后有深圳電動貨車追尾校車后自燃，安全問題成為困擾每一位潛在車主的心結。
難道就沒有辦法把安全性做上去了嗎？尤其是最近比亞迪與寧德時代之間發生的一起“口水仗”，就讓安全性問題成為了人們茶余飯后的談資猛料。
關于前幾日比亞與寧德之爭，前不久我們在“比亞迪用鋼針刺穿寧德時代”一文中已有詳盡分析，在此只簡要梳理要點，供不明就里的吃瓜群眾迅速溫習。
5月11日，面對投資者在財報峰會上關于『電池安全』的問題，寧德時代董事長曾毓群表示：“公司一直將安全作為公司最重要的戰略，但是電池的安全和電池的濫用測試是兩回事”，或是在暗諷濫用測試等同于電池安全。
言下之意就很有針對性了，畢竟在3月份比亞迪曾進行了三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池與比亞迪最新的刀片電池『針刺測試』對比實驗，三元鋰電池在鋼針刺穿后迅速發生了起火爆燃，而刀片電池則安然無恙。
隨后的瓜就很有意思了，微博網友的實測再次“激怒”了寧德時代，官方對此回應鋼針根本無法刺穿電芯外殼，如此回應迅速引發吃瓜界的廣泛討論，在筆者看來，這次口水之爭誰輸誰贏倒在其次，重點是電池安全重回民眾的視野，能夠把關注點從能量密度轉移到安全性上，倒不失為一件好事。
起初看完實驗，電哥覺得不現場觀摩，疑點仍然太多，萬幸獲得了去比亞迪重慶弗迪電池工廠全程觀摩的機會，進行實測對比。
為什么“針刺”會引發如此強烈的關注度？這還要從電池包安全性中的失效鏈傳遞說起，如果電池出事兒，那一定是按照“系統安全、電池包安全、模組安全、電芯安全”這樣的層級傳遞的，也就是說這個傳遞過程當中，威脅等級在逐級放大。
當我們在日常遭遇碰撞、過充甚至起火，其失效傳遞基本是遵循這個傳遞鏈條，當傳遞到最后，所有失效都會作用到電芯上，而電芯失效絕大多數都是由于電芯內部短路造成的，我們可以理解電芯的安全性，是電池安全性最后的一道防線，沒有之一。
使用鋼針刺穿電池包，目的就是觸發最嚴重、最直接的電芯內部短路，直接測試了電芯的安全性。
4月27日深圳塘尾一輛陸地方舟Z35充電時發生自燃，波及甚廣
其實這種極端測試，并不是憑空想出來的，而是實際存在的標準性試驗。
從國際幾個主流的測試方法來看，針刺試驗是要在100%SOC狀態下，通過不同直徑的鋼針以標準的速度，垂直穿透電芯后，對電芯安全性進行判定。其實無論是從鋼針直徑、穿透速度、還是判定條件來看，中國的國標測試標準都是最嚴格的。
這項實驗對電芯來說，絕對算得上是最嚴苛的測試方法，因此這個試驗并不是電芯安全性的強制測試指標。此次觀摩的試驗過程，就是在GB / T 31485 -2015標準下進行的:
1、單體蓄電池按照企業提供的充電方法進行充電（1C+0.2C）
2、用φ5 mm的耐高溫鋼針（針尖的圓錐度45°，以25mm/s的速度垂直方向貫穿）
在試驗現場，三元鋰電池與刀片電池分別提供了兩個電芯可供選擇，三元鋰電池選擇的是目前極其常見NCM鎳鈷錳 VDA 鋁殼方形電芯。（以下素材為電哥在試驗現場抓拍，質量欠佳請見諒）
送測的兩塊兒刀片電池其實就是在重慶工廠下線的，和傳統電芯不同，這種磷酸鐵鋰刀片電池采用的是疊片工藝，這種電池將會率先搭載在比亞迪漢EV車型上，隨后還會搭載在宋的新款車型上。
老實說圓錐度45°，5mm直徑的鋼針拿在手里壓力很大，要比想象中的“兇殘”一些。在具體的試驗當中，貫穿位置位于平面幾何中心，并且貫穿后鋼針需要停留在蓄電池當中。
測試前先要對電芯電壓進行測量，最終電哥選擇實測電壓為4.16v的電芯（左下方那塊）進行針刺試驗，相比4.13v來說，狀態要略微好一點點。
實際測試過程在室溫為25°的室內空間進行，并且對比測試當中室溫、濕度等環境因子需完全一致。
其實實測過程令電哥著實有一些猝不及防，因為在鋼針刺入電芯的瞬間就伴隨著冒煙與噴射出火花，隨后瞬間爆燃，火勢極猛。
從監控中也可以看出，短路后的三元電池瞬間起火失控，電壓從4.16v陡降到0v，溫度劇烈攀升，安全閥溫度大于531.8°，由于針刺點已經被炸飛，因此針刺點的溫度并未采集。
靜置數分鐘后，VDA電芯內仍有濃煙冒出，并且電芯內部仍有明火燃燒。
超過約1小時觀察時間后，用同樣的測試方法對起始電壓為3.4v的刀片電池進行實測，這次的測試過程就要“無趣”很多，從穿透殼體到貫穿整個電芯，電哥在現場仔細觀察發現無煙、亦無明火。
針刺后，我們發現刀片電池的電壓呈現出一個緩慢下降的過程，并且安全閥溫度也僅僅是處于平緩上升當中，雖然電哥沒有記錄到安全閥溫度數據，不過結合無煙無明火的現狀來看，應當與此前測試當中30°~60°的測量溫度一致。
靜置數分鐘后，被貫穿的刀片電池仍然處于無煙、無明火的狀態，從針刺試驗的結果來看，刀片電池確實在這種極端內端境況下，擁有更好的安全性。
在聊刀片電池為什么更安全之前，有必要先說明，為什么鋰電池安全性總會被拿出來挑刺。
因為鋰電池活潑、易燃燒是其天性，鋰離子電池含有易燃溶劑，這是先天化學性質決定的。
結構上，鋰離子電池主要由正極、鋁箔、負極、銅箔、隔膜和電解液等六部分組成，電解液含有大量有機物，你比如說有碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯，這些酯類名字復雜記不住不要緊，但是他們都自備燃爆屬性。在充放電時，內阻會迅速發熱、甚至短路，一般充放電時熱量大部分產生于內阻較大的正極，不管你是鎳鈷鋁還是鎳鈷錳、錳酸鋰還是磷酸鐵鋰，都不能百分百避免。當這些熱量聚積到一定程度之時就會產生火花。
有道是正極電位越高氧化性越強，過充則更強，引起化學反應、熱失控溫度攀升，如果這時候BMS（電池管理系統）照顧的不夠周全，就極有可能發生各類意外；不僅如此，偏偏高溫時三元材料繼續分解還會自動分離出氣體（含氧），起到火上澆油的效果。
搞明白了鋰電池熱失控的本質，刀片電池提升安全性也就不難理解，因為比亞迪刀片電池從電芯材料以及疊片工藝兩個源頭上，都提升了安全性。
就材料本身，LFP磷酸鐵鋰材料先天就比NCM鎳鈷錳三元鋰要更穩定，釋放的熱量更少、放熱速率更慢。尤其是加入電解液材料之后，差距將進一步拉大，NCM材料分解時會釋放氣體（含氧），將加劇極端情況下的危險性。其次疊片工藝本身，也能夠加強隔膜的防護性，進一步減少熱量的聚集，對于減少熱失控也有助攻。
如果我們強行讓刀片電池發生熱失控會怎樣呢？其最高溫度約為350℃，電池背面溫度最高為80℃，有煙、無明火、當然也并未爆炸。
正是由于電芯材料先天安全性上的差異，因此我們習慣上認為磷酸鐵鋰電池能量密度遠低于三元鋰電池，因此在空間有限的乘用車領域，三元鋰電池一直都占據著統治地位。
而刀片電池的結構能夠極大幅度的提升電池包的實際體積利用率，將此前45%的利用率大幅提升至60%，結果就是目前的刀片電池包能量密度提升到了140Wh/kg，在1~2年內的時間有望提升到170Wh/kg，縮短甚至消除了與三元鋰電池在能量密度上的差異，極大提升安全性。
至于充電性能，同樣的低溫環境下，高SOC時磷酸鐵鋰電池與NCM-811電池的充電功率相當；但是在50% SOC下充電功率大約為NCM-811電池的一半，假如NCM-811電池充電功率達到140kW時，LFP電池大約為70kW。極限充電功率滿足使用需求，但是相比NCM-811電池有一定差距。
放電性能則完全是相反的情況，低溫環境低SOC值情況下，磷酸鐵鋰電池放電功率將遠遠優于NCM-811電池，可以理解為低溫低電量下性能表現更優。
循環壽命則屬于磷酸鐵鋰電池的常規優勢，循環壽命明顯優于NCM-811電池，可以理解為電池性能更加持久，性能衰減明顯更慢。
說白了，還是門檻和成本問題。
刀片電池本身所采用的疊片工藝好處眾多，既能夠提升電池包能量密度也能夠提升循環壽命，本身就是電池制造未來的主流發展方向，無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，莫不如此。根據電哥掌握的信息，松下、三星SDI、CATL等行業巨頭都有在2022年前后導入疊片工藝的計劃。
拋開刀片電池本身的技術專利不談，想要推廣刀片電池就必須要有無塵、恒溫、干燥的全新車間，這其中最大的麻煩就受制于設備、工藝，所產生的制造、效率瓶頸。
一般來說刀片電池需要配料、涂布、輥壓、疊片、裝配、烘烤、注液、檢測8大工藝，單單說這疊片工藝，就在實際的產業化應用中就面臨著諸多難題，其中最凸顯的就是疊片工藝的生產效率，目前國產動力電池疊片機效率普遍在1-1.2s/片/單工位，單工位效率低，制造成本高，相比來看卷繞明顯成熟、便宜的多。
疊片工藝領域目前進展較快的有國內的蜂巢能源，但也處于平均單工位0.6sec的水平。而比亞迪的碟片效率目前業界最高，達到0.3s/pcs的水平，已經基本達到了與卷繞工藝效率平衡的臨界點。
更重要的是，這一重要工藝所使用的疊片機，完全由比亞迪自研自造，再加上自家生產的磷酸鐵鋰電池在電芯成本上也具有優勢，因此比亞迪就手握刀片電池、或者說疊片工藝電池整個生產鏈條閉環，在成本、性能、安全性三個維度求得了平衡。
并非它人不知刀片電池、疊片工藝的妙處，只是比亞迪能將它率先落地，而其他人暫時不能，僅此而已。
（圖/文/攝：皆電 宗澤）
簡介：凜冬...啊不，燃油車禁售降至。
