只冒烟、不起火、及时报警，三元锂电池包的针刺试验有多难？
在2021年，如果你想去买一台电动车，那么你一定会问到关于这台车电池的问题，作为目前新能源汽车中最成熟、商业应用最广的化学能源，它关乎了续航、安全、性能、车价种种最重要的购车因素。
如果你再深入地去做一些了解，你还会发现，原来现在的锂电池，有用磷酸铁锂电池的，也有用三元锂电池的。
所谓磷酸铁锂和三元锂，指的是锂电池使用的正极材料，不同的正极材料，也决定了他们迥然不同的特性。
磷酸铁锂电池内部材料的结构更稳定、充放电循环寿命较长，材料成本便宜，但同时也存在能量密度低，充放电效率低，低温表现不佳的问题。相应的，三元的能量密度高、充放电效率高，同时TA也有不耐高温的特性。
从需求角度来看，磷酸铁锂比较适合空间大，有条件装大体积电池，要求安全性能高，需要长时间不间断运营的场景，比如商用公交车、储能电站这种。而三元锂电池则适合空间有限，需要高能量密度实现长续航的中高端乘用车。
在过去的五年时间里，我们靠着三元锂电池的发展以及充电配套设施的搭建，极大地缓解了用户的续航焦虑，在续航这个刚需解决以后，安全的问题也被再一次推到了台面之上。而其中最夺目的测试，当属“不服来扎一下”的针刺试验，今天我们再次来聊聊这个问题。
只有三家车企的
动力电池通过了针刺试验
目前从车企维度来看，只有三家企业的电池通过了公开的针刺试验，分别是比亚迪的刀片电池、广汽埃安的“弹匣电池”以及极氪的极芯电池，比亚迪的刀片电池是基于磷酸铁锂正极打造，通过了单体电芯的针刺试验。广汽埃安和极氪的则是使用的三元锂电芯，通过了整包针刺的试验。
从最新的极氪的极芯电池包的针刺试验视频里能够看出：在钢针刺入电池包触发热失控后，“极芯”电池包BMS及时触发热事件报警信号。
同时，被刺的“极芯”电池包出现冒烟现象，被刺电芯最高温度达到801.4℃，未起火、未爆炸。静置24小时，单体电压降至0V，温度降为室温，热疏隔阻排设计、整包结构完好，无明显变形，电池外壳不带电，电池包内部固定结构和高压连接完好，无热蔓延，也是目前针刺热失控试验中表现最优的三元锂电池包。
针刺试验怎么做？
根据GB 38031-2020 电动汽车动力蓄电池安全要求中，推荐触发热失控的针刺试验方法来看，该试验是通过使用直径3-8mm，针尖圆锥角度20-60°的耐高温钢针，以每秒0.1-10mm左右的速度，选择能触发电池单体引发热失控的位置和方向，穿透电池包最终刺穿单体电芯，不起火不爆炸，并且提供预警信号才算通过试验。那为什么针刺以后电池会起火呢？
针刺实验诱发强制内短路
从电芯的内部结构来看，我们现在电动车上的每一节电芯，都是有正负极和隔膜紧紧贴合在一起，通过卷绕或者叠片的方式放入电池外壳之中。
在针刺试验中，钢针刺入电池，每一层的正负极和隔膜会被逐一刺穿，此时电池内部正负极连通发生短路，短路位置迅速放热，随着温度的上升，隔膜还会坍缩融化，引发更大面积的短路。
随后温度继续升高，正负极分解，电解液沸腾，内部气压升高，电池爆开电解液喷出，当遇到氧气的时候沸腾的电解液直接开始燃烧，火星四射。
三元锂电池受热释氧反应剧烈
目前对于国内纯电乘用车使用最多的三元锂电池而言，能通过针刺试验其实是非常难的，其中很关键的要素就是三元锂电池在发生强制内短路的时候，额外的副反应会比磷酸铁锂要多非常多。
同时正极受热分解时还会释放氧气加速反应的进行，通过针刺试验不起火对所有厂家都是一个非常大的挑战。对于整包针刺试验来看，如果才能做到不起火，核心问题是要电解液不能起火。
如何做到针刺不起火？
我们从极氪的极芯电池包的设计里面也能看到三个关键要素：
首先是及时切断电源，当电池包中某个电芯发生热失控，此时如果还在继续放电，很容易诱发连锁反应，同时还存在漏电的风险。极氪的做法是电池包中会设置一个保险盒，当系统检测到热失控的时候，保险盒里面的电阻丝会发热点燃火药撞击器，弹出顶动开关，实现毫秒级的断电。
第二个，也是整包针刺相较于单体电芯针刺最不同的地方，那就是防止热蔓延的发生。
当电芯被刺穿以后，自身产生的热量会自发地向相邻的电芯蔓延，导致相邻电芯也发生副反应，甚至发生内短路，这些副反应形成大量热，最终会让整个电池包温度不断提升，造成整个电池包的热失控。
因此想要切断热蔓延，首先就是在电芯之间设置阻燃材料和隔热材料，减少电芯内部的热量向相邻电芯传导。极芯的电池包就是在电芯与电芯、模组跟模组之间，应用了超低导热系数的热阻隔材料，通过结构阻断设计，形成了防火墙。
同时从针刺试验全程的温度变化也能看出，整个电池包系统的隔热也是非常好的。同样得益于超低导热系数的热阻隔材料和耐高温的上盖，当内部电芯温度最高达到801.4℃，而上盖板的最高温度只有128.5℃。一方面杜绝了高温融化上盖伤及乘员舱的风险，另一方面也降低了电芯上方高压铜排受热短路的风险。
第三，只设置防火墙热量还是会聚集，要避免热失控，更为关键的是要做好散热。此时对于整个电池包来说，需要做到的关键要素，一个是迅速降温，另一个则是及时排热。
在极芯的电池包里面，有根据电池包气体流向精确设置的烟道，当被针刺的电芯发生热失控时，电芯会发热产生大量烟气，这些气体会根据预先设置好的烟道，通过泄压阀排出电池包外部。
同时，当检测到热失控以后，铺在电池底部的水冷散热系统，也会开启水循环对电池进行降温，中和产生的热量。
除了从工程角度去做的多项努力之外，对于消费者来说，保证用车安全更重要是“防微杜渐”。电池包也需要一个好的“班主任”来进行管理，才能更加健康、安全的充放电使用。这个班主任就是极芯电池包的BMS系统。
在这套系统中，除了引入传统的电压、电流的物理模型和AI大数据来监控电芯的容量、寿命之外，同时还构建了电池热失控的预警模型，通过实时监控每节电芯的电压、放电电流以及温度等数据，当发现电芯有数据异常，特征传感器就会触发报警，并且通过氛围灯、中控、手机等多种方式提醒用户，预留出足够的逃生时间。
整车安全才是最关键的
从这次极氪三元锂针刺的试验里我们能够看出，随着技术的不断发展，三元锂电池无论是电化学体系的创新还是结构工艺的创新，都还远远没有到尽头。
同时作为消费者来说，我们应该知道的是：近年来发生的事故，绝大多数是在车辆正常的行驶、充电和停放中发生的起火事故。所以如果考虑安全性，还是要从整车角度去考虑。电动车的安全性，并非一个电池包所应承担，更不是单个单芯就可以下定义的。
就比方说对于乘员和电池包威胁最大的侧面碰撞，目前C-NCAP和E-NCAP的侧面柱碰，只规定了在 6号位置进行试验，而极氪001验证了电池包区域几乎所有15个位置的柱碰性能。
即便是同样的电芯，不同的电池包设计跟布局，展现出的整体差异化也是巨大的。极氪的极芯电池包甚至还专门针对电车怕托底，对电池包的底板进行重新设计和加固，在24km/h倾斜10%冲击、50km/h与电池包底部重叠30mm高速冲击两种状态下，都能安全通过保证内部电芯不受伤害。
虽然现在提到新能源汽车，脑中会蹦出很多互联网公司，但是在电动车的安全这个命题上，我们应该认识到：没有绝对的安全，我们只能不断努力，让失效率不断向0逼近。电池安全是如此，整车安全亦是如此。而这这才是一家负责任车企，应有的安全价值观。
