刀片电池：利刃的另一面

刀片电池

这几天，新能源汽车汽车媒体上、微信群里，“刀”光闪闪：比亚迪发布的刀片电池，引发重重热议。

 

讨论最多的，是刀片电池在安全性和体积能量密度上的突破。能够轻松通过针刺实验、将体积能量密度提升50%的表现，对当前动力电池安全性和高比能难以两全的困局，给出了很好的解决方案。

 

也有很多人，试图探究“刀片电池”利刃的另一面：这么长的电芯，能否应对不同车企的匹配需求？安全性和体积能量密度之外，其他性能如何？

 

1

刀片电池适配性

 

刀片电池形如刀片，此刀，可长可短。

 

从专利信息看，刀片电池长度可以在600—2000mm之间。由于刀片电池长度和电池包宽度一致，因此覆盖了几乎所有乘用车的电池包宽度尺寸。

 

刀片电池长度基本和无模组的电池包宽度一致

资料来源：比亚迪专利CN201911012284

 

而且，从专利看，刀片电池也支持有模组的电池包，从而支持更大型的车辆。从CN201920942022专利来看，在其中一个实施例中，电池包采用了四个刀片电池形成的模组。

 

刀片电池成组为模组，再组成电池包的实施例

资料来源：比亚迪专利CN201920942022

 

灵活性有了，通用性如何？

 

如果都采用无模组形式，不同的电池包宽度需要不同长度的刀片电池。如果比亚迪要把刀片电池卖给各个厂家，就需要做出不同长度的刀片电池。

 

从刀片电池的专利来看，一个刀片电池内，包含多个容纳腔，每一个容纳腔包含一个极芯，容纳腔通过隔板隔开。看上去就如同几个电芯组成一个串联模组。

 

资料来源：比亚迪专利CN201911012284

 

那么，合理的推测是，比亚迪完全可以通过增减容纳腔的数目，来调节刀片电池长度。而每一个腔体和极芯，都可以是标准化的。刀片电池如同水管，可以接长一些，也可以接短一些。

 

这样一来，尽管可能不同客户需要不同长度的刀片电池，但它们共用标准化的容纳腔、极芯等部件，还是能够实现标准化、规模化生产的。

 

另外，比亚迪在推广刀片电池的之前，就先将其标准化e平台推向全行业。如果客户采用e平台，虽然可以有不同的电量配置，但采用的刀片电池的长度一致，更有利于规模化生产，分摊生产成本。

 

比亚迪e平台

 

2

磷酸铁锂寿命长

 

磷酸铁锂电池另一个显著的特点是循环寿命长。刀片电池的寿命可以达到什么水平？

 

在2020年1月份的百人会论坛上，王传福就提到，采用刀片电池的车辆，整车寿命可达百万公里以上。

 

比亚迪汉真的能做到百万公里么？

 

众所周知，整车的续驶里程与电池的循环寿命和车辆续驶里程息息相关。

 

首先要搞清楚磷酸铁锂电池包现阶段的循环寿命。

 

为此，《电动汽车观察家》特意向六七位一线电池专家咨询了磷酸铁锂电池包寿命情况。综合他们的观察，目前中国车用磷酸铁锂电池包，实验室测试循环寿命在3000次左右没问题。而实际运营当中，至少也可以达到2000次。

 

以比亚迪汉为例，NEDC续驶里程是605公里，即使按2000次循环论，其寿命也将达到120万公里以上。

 

从实际运营看，电池寿命确实可以做到百万公里以上。2010年比亚迪在深圳投放的e6电动出租车，在2018年时就有单车行驶里程超过100万公里，并仍能正常运营的先例。

 

比亚迪e6出租车

如果说在十年前的电池技术下，行驶百万公里是个别现象；那么相信如今，百万公里续驶里程已经能够成为普遍现象。

 

3

低温性能、充电倍率如何？

 

动力电池的应用，还需全面考虑其他性能，业内人士也特别关注刀片电池的低温性能和充电倍率。

 

从刀片电池的相关专利，我们大致还是能看出一些比亚迪的低温解决方案。专利CN201920942022在论述空间利用率时提及，外围部件会占用电池包内部空间，包括液冷系统、保温材料等。

 

从电动车企的电动汽车温控方案历程看，基本上都从风冷发展到液冷。此前，腾势电动汽车的磷酸铁锂电池，电池正负极使用了包碳工艺处理，以应对低温环境问题。另外，比亚迪在唐EV等车型上，已经应用了第三代电池智能温控管理系统，具备低温加热功能。

 

目前，还没有确切资料来判定刀片电池的低温性能，但比亚迪可以在材料改善、温控系统方面加以提升。

 

刀片电池

在充电倍率方面，来自比亚迪的消息称，刀片电池快充可以达到1.5C，峰值可以达到2C。以此推算，至少在0-80%阶段，30-40分钟可以完成。与一般三元电池的充电倍率一致。

 

4

安全性能提升

 

话说回来，刀片电池的刃还在安全。

 

（1）磷酸铁锂天性安全

 

中国动力电池创新联盟副秘书长王子冬曾公开表示，动力电池是一种含高能物质的部件，具有危险性的本质，而且，随着电池比能量和比功率的提高，发生事故的危险性将增大。

 

王子冬打了一个比方，动力电池就像是把“火药桶”“助燃剂”和“打火机”关在一个小屋子，然后用一层“保鲜膜”隔开。他解释说，“动力电池系统的易燃物是电解液，它与助燃剂氧气（三元正极材料遇到高温时会分解生产氧气）和火源（内短路、过充都会产生高温）被密封在同一个容器环境里，因此它的安全不确定性也就显得尤为突出。”

 

借用这一比喻，我们可以看到，刀片电池很好地遏制了自燃风险。

 

首先，磷酸铁锂电池的自燃温度要远远高于三元电池。

 

实验室数据显示，三元电池的自燃温度是200℃，即到达此温度时，三元电池的材料就会开始融化、自燃，直至引发爆炸。而磷酸铁锂电池的自燃温度则是500-800℃，也就是很难“点着”。相当于“打火机”被扔出了小屋子。

 

其次，磷酸铁锂电池不释放氧气，就没有助燃剂。铁离子氧化能力不强，磷酸铁锂电池在充放电时，不会放出氧气，自然也就难以与电解质发生氧化还原反应，这使得磷酸铁锂电池充放电过程处在一个相对安全的环境中。没有了助燃剂，磷酸铁锂电池基本在热失控时只会冒烟。

 

（2）针刺试验进一步证明

 

为了进一步验证刀片电池的安全性，比亚迪做了一项在国标中已经取消的测试——针刺测试。

 

所谓针刺试验，是将充满电的电池放在一个平面上，用直径3—8mm的钢针沿径向将电池刺穿，一小时内不发生起火和爆炸，视为合格。目的是模拟电池的内短路的过程，以检测电池的安全性。

 

刀片电池发布会上的视频可以看到，刀片电池的针刺试验结果要明显优于三元电池，以及传统磷酸铁锂块状电池。

 

三元锂电池在针刺之后，剧烈燃烧，表面温度超过500摄氏度，电池表面的鸡蛋被炸飞；磷酸铁锂块状电池针刺之后，无明火，有烟，表面温度200-400摄氏度，电池表面的鸡蛋被烤焦；而比亚迪刀片电池在针刺之后，不仅无明火，无烟，而且表面温度只有30-60摄氏度，电池表面的鸡蛋无变化。

 

资料来源：刀片电池发布会上的视频

 

为何刀片电池能够通过测试？

 

中国科学院院士欧阳明高解释说，刀片电池表现良好大约是两个方面原因：一方面，刀片电池是一个长条形的电池，所以它的散热面积比较大；另外一方面，当针刺的时候，刀片电池短路的回路比较长，所以产热的能力相对要下降。由于刀片电池的温升速率比较小，因此针刺试验表现很好。

 

虽然在中国电池针刺试验已经被取消，但在国际上，这项试验并不少见，例如SAE J2464、UL-2580及SAND2005-3123等标准还是有针刺测试要求的，此外，非标准法规FreedomCAR等也有针刺要求。

资料来源：SAE J2464

 

现实生活中，贯穿、刺破电池造成内短路的情况时有发生。被媒体报道出的事故就有多起，典型的例如2013年特斯拉底盘碰撞到了掉落在路面上的拖车挂钩，正好形成一个穿刺姿势。电池包底部被挂钩尖锐处刺入，车辆电池短路，并着火燃烧。

 

（3）结构安全再提升

 

电池包的安全还体现在结构强度上。传统电池包一般只有4-5根梁，而刀片电池是让每一个电芯都充当结构件，100个电池就是100个梁，其强度可想而知。

 

比亚迪集团副总裁兼弗迪电池董事长何龙介绍电芯强度原理

 

此外，刀片电池还借鉴了非常成熟的蜂窝铝板的结构原理，在100个电池组成的电池堆的上下两面上，粘贴两块高强度的强度板，形成了类似蜂窝铝板的这种结构，使强度再次升级。

 

蜂窝铝板

 

5

有效提升体积能量密度

 

刀片电池采用磷酸铁锂，安全性的优势并不让人意外。但是刀片电池有效提升了体积能量密度，使得他能够在乘用车上无顾虑的使用，堪称革命性的提升。

 

随着2019年版补贴政策的大幅退坡，搭载磷酸铁锂的乘用车明显增多。

 

2019年第8批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》（简称《目录》）中， 奇瑞新能源新款小蚂蚁开始出现磷酸铁锂版；第10批《目录》，东风小康EC36和长城欧拉R1，也开始出现磷酸铁锂版本。

 

不仅如此，《目录》中磷酸铁锂车型总量也在增加。去年第11批《目录》，共包含146款车型，磷酸铁锂电池配套87款车型，占比接近60%；第8批《目录》中，磷酸铁锂占比更是高达69%。而这一数据在去年年初的第1批《目录》中，仅为45%。

 

但是，业内普遍认为，由于能量密度的限制，磷酸铁锂适合的续驶里程多为300公里左右，很难做出更长里程的车型。

 

不过，刀片电池将磷酸铁锂的续驶里程推到了600公里。

 

资料来源：新能源汽车推广应用推荐车型目录（2020 年 第 2 批）

 

这是由于刀片电池优化了电池包的利用率。

 

发布会上，比亚迪集团副总裁兼弗迪电池董事长何龙对此进行了一个形象的比喻，电池包相当于一个房子，房子中的梁和柱多了，可利用的空间就小了。

 

一般来说，传统电池包中有一般有4—5根梁，电池模组里面电池的空间利用率只有80%，其他都是模组的结构件，例如端板和侧板等结构。电池模组在电池包里边的利用率仅为50%；电池到模组的空间利率80%，由此可以算出，电芯在电池包的占比仅为40%。

 

但是，如果比亚迪将电芯拉长，并固定在电池包的边框上，这样电芯既是能量体，同时电芯壳体又可以作为电池包的结构梁，这样固定和强度的问题都得以解决。同时，电池包的空间利用率提升了50%，可以达到60%以上。

 

资料来源：比亚迪刀片电池发布会

 

也就是说在同等体积下，比亚迪的电池包可以装更多的电芯，车辆的续驶里程便可以得到大幅提升。

 

刀片电池从被外界所知起，就引发了持续关注。刀片电池突出的优势，让安全与高能这对死敌得以和解，引领了全球动力电池安全新高度。而在可规模化生产、寿命、低温性能、充电倍率方面，刀片电池也将逐步褪去面纱，让我们更加全面考察刀片电池各项性能，从而对刀片电池前景得到更加确定的答案。（完）

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