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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: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: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:专利CN201911012284

那么,合理的推测是,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,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。


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。

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息息相关。

首先要搞清楚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。


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。

电动车企的温控方案历程看,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,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,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,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,这使得充放电过程处在一个相对安全的环境中。没有了助燃剂,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,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

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。


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,搭载磷酸铁锂的明显增多。

2019年第8批《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,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多为300公里左右,很难做出更长的车型。

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: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,集团副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:刀片电池发布会

也就是说在同等体积下,的电池包可以装更多的电芯,车辆的续驶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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