紛紛下海造電池？“刀片”、“彈匣”、“大禹”誰最安全？
技術 發布于：2021-07-22 09:52:36
說到新能源車，大家最關心的點必然是電池安全。
有調查機構表示，我國2020年新能源車自燃起火事故共計61起，事故的原因大部分由動力電池導致，而這當中因為機械觸發引起的內短路就是主要因素。
“機械觸發”換句話說，就是外物撞擊。
雖然說動力電池有層層盔甲保護，但正所謂“常在河邊走，哪有不濕鞋”，這些平鋪車底的電池被磕傷時有發生，我們皆電的大佬@大朱 ，這位視Model 3如老婆的人也中過招。
（聽說好幾萬，還好有保險）
而為了保障動力電池在受到物理攻擊之后不起火不爆炸，車企們紛紛使出了渾身解數。前有比亞迪刀片電池，后有廣汽埃安彈匣電池（技術）、長城大禹電池。
眾所周知，電池的性能和安全性成反比，能量密度越高，安全性就越差。那安全性指的是什么，國家又如何定義安全呢？
「 不起火不爆炸就行，冒煙我不管？ 」
今年，我國正式實施《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》以及《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制性國家標準。此次標準增加了電池系統（電池組）熱擴散試驗，要求電池單體發生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。
也就是說，電池組不起火不爆炸才算符合國家標準。不過這個東東讓我心里賊忐忑，難道不起火不爆炸，冒濃煙也可以？就連人機工程學也要考慮心理因素，自燃這么大件事居然把標準放這么低…
所以我認為，在滿足國家標準的前提下，電池能做到不冒煙，甚至沒有肉眼可見的變化才是真安全。那這三款電池到底誰最安全，不妨先從電池結構說起。
「 電芯變成電池組，猶如聚沙成塔 」
動力電池組的結構可以分為三層，分別是電池單體、電池模組以及動力電池系統（簡稱電池組）。
電池單體，也就是我們常說的電芯，它是組成動力電池最小的單元，由正負極、電解質、隔膜等組成。目前常見的電芯形態有圓柱形（如18650、21700）、方盒形（如VDA-PHEV2）以及軟包，其中圓柱形電芯、VDA方盒形電芯是目前裝機量最大的電芯類型。
和軟包電池相比，圓柱形電芯、VDA方盒形電芯的生產工藝更成熟，成本控制也更為出色，不過我倒是更看好軟包電池，除了因為它的能量密度比另外兩者更高之外，還在于它的尺寸、造型支持自定義，能更好地利用底盤空間。
把N個電池單體進行串聯、并聯焊接在一起，再加個模塊控制器，就是電池模組了。而N個模組組合在一起，再加些控制單元、采集系統以及冷卻系統，就構成了一個完整的動力電池組。這時候就可以拎去裝車。
對電池組結構有了基本了解之后，我們再去看看刀片電池、彈匣電池、大禹電池到底施展了什么魔法來保障安全。
「 刀片電池 」
上文說到，傳統的結構是把電芯裝成模組，模組再裝成電池組，而刀片電池是一種全新設計理念，它采用了長條形電芯設計，省去了中間組成模組的環節，N個刀片電池直接能構成電池組。
刀片電池有很多規格，長度可以在435~2500mm之間變換，目前主流應用的規格長/高/厚度分別為960/90/13.5mm，又長又薄，看起來就像刀片一樣。
那刀片電池又有什么優勢呢？
簡單來說，刀片電池因為取消了模組設計，所以電池二級零部件數量減少了40%，這除了大幅減低物料成本之外，還使電池組體積能量密度顯著提升，據國家知識產權局公布的數據，刀片電池可使普通電池包體積比能量密度從251Wh/L提升至332Wh/L，這也是搭載刀片電池的漢EV NEDC續航能達到605km，比很多三元鋰電車型都要強的原因。
（刀片電池體積能量密度、溫升控制都比一般電池好）
當然刀片電池的出現，更多是為了安全性考慮。首先刀片電池本質是磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰正極材料的熱穩定性比三元鋰好不少，在500℃以內都有著極高的穩定性，反觀三元鋰超過200℃就可能發生熱失控。
除了化學成分帶來的優越性之外，刀片電池還采用了疊片工藝。傳統的卷繞工藝在極片隔膜制成電芯后，兩側/拐角邊緣位置的電極存在較大曲率，在反復的充放電過程中容易產生波浪狀變形，從而使內部結構不穩定導致安全隱患，而疊片工藝就沒有這個問題。再加上疊片內阻更低，發熱也更小，在工作時也不易發生膨脹。
另外因為造型又薄又長，每一片電芯都有著很大的熱交換面積，而比亞迪又在電芯之間設計了導熱層，所以各電芯的最大溫差能控制在1℃以內，目前行業普遍是5℃。
(VDA方形三元鋰電池針刺)
(刀片電池針刺)
通過結構的優化，刀片電池能通過最苛刻的針刺試驗，針刺過程中不起火不爆炸，滿足了國家強制執行的安全標準，另外它還不冒煙，安全閥溫度也不過60℃，可以說是真的安全。目前這款電池已經裝配在比亞迪全系電動車上，如宋PLUS EV、漢EV等等。
此外，刀片電池還能適配DM-i車型，像最近大熱的宋PLUS DM-i就搭載了刀片電池，按純電續航里程劃分51km以及110km兩個版本，電池容量分別為8.3kWh以及18.3kWh。實話說，110km已經領先不少同級PHEV車了。
「 彈匣電池 」
在比亞迪發布刀片電池之后，廣汽埃安在今年3月發布了彈匣電池技術，別的先不說，光這個名字就有狙擊刀片電池的意思。
而與刀片電池通過改變電芯結構不同的是，彈匣電池主要通過打造一個“安全保護殼”保障安全，簡單來說就是把電芯一個一個放在安全艙中，就像彈匣里的子彈。這個子彈既能是三元鋰，也能是磷酸鐵鋰。
先說說彈匣電池的最小能量個體——電芯，三元鋰版本的電芯通過正極材料、SEI膜、電解質的優化去提升穩定性。
例如正極材料采用了納米級包覆及摻雜技術，電解液也添加了不少玩意，讓SEI膜能自我修復，在高溫時還能形成高阻抗聚合物延緩熱失控的發生。
這些電芯層面的技術應用是通過合作伙伴一起實現的，效果怎樣我們不得而知，畢竟沒給電芯單獨做過針刺試驗，這些“納米級”的詞匯讓我有點摸不著頭腦…
相較于電芯的改進，這個安全艙就大有來頭了。一般的模組上蓋不能承受熱失控帶來的高溫，融化的上蓋會析出有毒、易燃的混合氣體，這對于本來就熱失控的電芯來說可謂火上澆油。而彈匣電池采用了耐高溫（超1400℃）材料制成，并在電芯之間采用了隔熱材料，很大程度上起到阻燃、隔熱的效果，即便是其中一個電芯發生熱失控，那也不會波及到其他電芯。
當然，彈匣電池的內部還采用了全貼合液冷系統設計，配合第五代電池管理系統，能實現24小時對電池的監控，發現異常就會啟動電池速冷系統為其降溫。
有意思的是，彈匣電池也進行了針刺試驗，但和刀片電池不同的是，彈匣電池針刺用的是整包，刺入的位置也和刀片電池不同。簡單來說，彈匣電池用的是新國標測試方法，而刀片電池用的是老國標，新國標比老國標寬松得多。
而從試驗結果看，搭載三元鋰電芯的彈匣電池在被刺穿后局部溫度超過600℃，而且還冒煙，被刺穿的那個“彈”明顯發生了熱失控，只不過因為殼體采用了阻熱阻燃材料，所以熱擴散被限制在一個局部，從而阻止了整個電池包起火爆炸。
（彈匣電池針刺，不起火不爆炸但冒煙）
而磷酸鐵鋰版本的彈匣電池穿刺后的表現明顯好得多，無爆炸起火，也無濃煙冒出，達到了和刀片電池一樣的效果。但個人認為刀片電池還是要先進一些，畢竟它沒有模組設計，能量密度一定比磷酸鐵鋰版的彈匣電池高得多。而且刀片電池刺的是電芯，彈匣還停留在刺電池組的水平。
不過單說三元鋰電那個版本，能不起火不爆炸已經是個大進步了。目前搭載彈匣電池的車型有AION Y以及AION S Plus兩款。
「 大禹電池 」
繼“刀片”和“彈匣”之后，第三款主打安全的電池在6月底問世，它就是長城大禹電池。大禹電池和彈匣電池路線相似，它們都主要通過電池組結構設計去提升安全性。
大禹電池目前僅有三元鋰版本。而之所以用“大禹”命名，是因為長城用了大禹治水“堵不如疏”的理念。
“堵不如疏”主要體驗在熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、自動滅火以及智能冷卻這幾項針對熱失控的方案。
首先是熱源隔斷，大禹電池在電芯之間使用了雙層復合材料，可以起到隔熱、阻燃的作用，而雙向換流+熱流分配則可以把熱量安全分攤到整個電池包上，這些方案能實現的效果其實和彈匣電池有異曲同工之處。
此外，它還結合了電芯防爆閥位置，設計出熱失控后火流路徑，通過分流、導流等手段把火源快速引導到滅火通道后安全排出，這也是我們在視頻中看到電池組局部會突然向外噴煙的原因。當然彈匣電池也有多個排氣口，在針刺試驗中也通過排氣口泄壓降溫，估計要把它們拆散才能看出兩者有何區別了。
不過在試驗方式上，大禹電池沒有選擇最嚴苛的針刺試驗，而是選擇另外一種同樣符合國家規定的測試方式——加熱。在試驗中，將位于中心位置的雙電芯加熱到熱失控狀態，最高溫度超過1000℃，通過滅火通道排出的氣體也超過100℃，整個電池包也沒有起火和爆炸，但伴隨著濃煙，由此可以看出，無論是彈匣電池還是大禹電池，目前對于三元鋰電熱失控也沒有一個完美的解決方案。
大禹電池預計在2022年開始搭載在量產車上。
「 動力電池是否安全，關鍵看結構 」
由此可以看出，三種電池在技術路線上有很大差異。
首先是刀片電池選擇了天生比三元鋰安全的磷酸鐵鋰，通過強化生產工藝，優化電芯結構徹底避免了熱失控的發生，而且它還減少了模組的零件數量，降低了成本，更關鍵的是刀片的結構大大提高了電池組能量密度，讓磷酸鐵鋰車型的續航也能輕松達到600+km?？梢哉f是“一石多鳥”的高階玩法。
當然，能大幅改變電芯結構也體現了比亞迪極高的新能源產業鏈垂直整合水平，正如愛信之于豐田那樣。目前尚沒有任何一家新能源車企能達到這種水平。
至于彈匣電池和大禹電池，它們的思路都十分相似，均選擇了強化電池系統在面對電芯熱失控時的整體控制能力，只不過彈匣還對電芯進行了定制（定制程度遠不如刀片電池），而且也能適配磷酸鐵鋰電芯。
由此可見，動力電池是否安全，關鍵還得看結構。要是最后讓我選一個，那肯定選刀片電池了，畢竟它的續航最實在呀…
