鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：803次 | 2021年08月08日
“針刺試驗(yàn)”爭執(zhí)過后，動(dòng)力鋰離子電池向左向右
近期一段時(shí)間內(nèi)，一場動(dòng)力鋰離子電池“針刺試驗(yàn)”讓比亞迪和寧德時(shí)代這兩家頭部動(dòng)力鋰離子電池公司進(jìn)行了多次隔空對壘。大家關(guān)注的焦點(diǎn)也再一次回到了新能源汽車產(chǎn)業(yè)中避不開的磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池的路線紛爭。
雖然這場爭執(zhí)因針刺試驗(yàn)而起，但在這背后，要怎么樣去提升動(dòng)力鋰離子電池安全才應(yīng)是整個(gè)業(yè)界研討、交流的真正價(jià)值所在。
動(dòng)力鋰離子電池的紛爭
依據(jù)《我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2018）》中，將新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈劃分為四大板塊，其中產(chǎn)業(yè)鏈中上游材料的電池是由“正極”、“負(fù)極”、“隔膜”、“電解液”構(gòu)成，在關(guān)鍵部件一欄中，儲能則為“動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)”。
目前，在政策和市場的引導(dǎo)下，國內(nèi)公司在磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料前驅(qū)體、石墨負(fù)極材料、鈦酸鋰負(fù)極材料、電解液、PP/PE隔膜等動(dòng)力鋰離子電池關(guān)鍵材料方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)頭部公司已經(jīng)近乎完全掌握了化學(xué)電池的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
其中使用最為廣泛的化學(xué)電池技術(shù)中，因?yàn)閯?dòng)力鋰離子電池性能指標(biāo)要滿足儲能密度、循環(huán)壽命、充電速度、抗高低溫柔安全性五個(gè)維度，同時(shí)還要滿足制造成本等，磷酸鐵鋰和三元鋰電脫穎而出，分別成為客車和乘用車市場的絕對主力。不過，由此也拉開了磷酸鐵鋰和三元鋰電的“紛爭”。
在性能特性方面，磷酸鐵鋰和三元鋰電并沒有真正意義上差異，也是平分秋毫。
首先，在能量密度上，三元鋰電的標(biāo)稱電壓范圍為3.6~4.3V，相較于磷酸鐵鋰3.2-3.3V較高。并且，三元鋰電能量密度已經(jīng)沖破300WH/kg，而磷酸鐵鋰離子電池仍較難沖破200WH/kg大關(guān)。
其次，在使用環(huán)境方面，三元鋰離子電池低溫限值為-30°，相比磷酸鐵鋰離子電池-20°更加有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在相同低溫條件下，三元鋰離子電池冬季衰減不到15%，分明高于磷酸鐵鋰離子電池衰減高達(dá)30%以上，更加符合我國電動(dòng)汽車用戶的使用環(huán)境。但是，磷酸鐵鋰離子電池的熱失控溫度普遍在500°以上，這遠(yuǎn)比三元鋰離子電池低于300°的參數(shù)，更為安全。
在循環(huán)次數(shù)和制造成本之間，數(shù)據(jù)顯示，磷酸鐵鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)大于3500次后才會開始衰減，而三元鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)則僅為2000次。同時(shí)，因?yàn)榱姿徼F鋰離子電池加工制造并不涉及貴重金屬，其加工成本較低，反觀三元鋰離子電池則因?yàn)椴捎免捊饘伲洳牧蟽r(jià)格一直高企。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
簡而言之，三元鋰電同等單位體積的能量密度比磷酸鐵鋰離子電池更高，且耐低溫（寒冷地區(qū)續(xù)航里程更長）；磷酸鐵鋰則耐高溫（安全性更好）、循環(huán)壽命長、制造成本低，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此使用范疇也有所不同。
單單羅列完兩種電池技術(shù)路徑的各項(xiàng)參數(shù)還是不夠的，畢竟動(dòng)力鋰離子電池公司最終是要將電池包搭載在新能源汽車上，安全性在汽車這一消費(fèi)品品類就尤為緊要。
“針刺試驗(yàn)”到底刺什么
讓我們回到早前比亞迪和寧德時(shí)代的對壘話題之上。三月份比亞迪公布了一段磷磷酸鐵鋰“刀片電池”通過素有電池安全“珠穆朗瑪峰”之稱的針刺試驗(yàn)的視頻，驗(yàn)證其在極端狀況下電池的安全性能。
但寧德時(shí)代卻認(rèn)為這是在“濫用”針刺試驗(yàn)。隨后，因網(wǎng)友“小魚鋰電”對從市場采購寧德時(shí)代NCM811和NCM523兩款電池自行進(jìn)行針刺試驗(yàn)均出現(xiàn)起火燃燒情況，而不得不也進(jìn)行了相應(yīng)針刺試驗(yàn)。
不過，第一次試驗(yàn)寧德時(shí)代針對整個(gè)電池組進(jìn)行，筆直導(dǎo)致鋼針崩斷。第二次試驗(yàn)顯示，針對NCM523和NCM811電池電芯進(jìn)行針刺，畫面顯示沒有出現(xiàn)冒煙起火等現(xiàn)象。
依據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）調(diào)查顯示，在自燃率方面，電動(dòng)汽車比燃油車出現(xiàn)的理論幾率更低。不過隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化趨勢，早先一批次的電動(dòng)汽車卻頻繁出現(xiàn)了自燃事故，例如前兩年頻繁曝出的電動(dòng)汽車高速洋溢后的自燃事故，其中不乏特斯拉、蔚來等知名車企。
多數(shù)自燃事故的原由就在于，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量熱量在電池內(nèi)部積累導(dǎo)致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸。
而動(dòng)力鋰離子電池針刺試驗(yàn)則是被稱為電池試驗(yàn)界的“珠穆朗瑪峰”。針刺試驗(yàn)要求將探測電池為滿電狀態(tài)，用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針，從垂直于電池極板正上方的進(jìn)行貫穿，貫穿點(diǎn)位于貫穿面的幾何中心，當(dāng)鋼針穿透電池后，工程師通過各項(xiàng)指標(biāo)觀察電池1小時(shí)。倘若所測電池沒有發(fā)生起火或爆炸則符合試驗(yàn)的要求。
依據(jù)2015版本的強(qiáng)制性國標(biāo)《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》（Gb/T31485-201）顯示，國標(biāo)就模組級別安全實(shí)驗(yàn)、電芯針刺實(shí)驗(yàn)、電芯跌落實(shí)驗(yàn)、電芯低氣壓實(shí)驗(yàn)、電芯海水浸泡實(shí)驗(yàn)、電池組跌落實(shí)驗(yàn)以及電池組翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。
而在2019年一月，工信部公布的3項(xiàng)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿的通知，其中一項(xiàng)是有關(guān)Gb《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》。意見稿中Gb單體電池的要求，過放、過充、短路、加熱、溫度循環(huán)、擠壓，一共五項(xiàng)安全探測，跟Gb/T31485-2015的10項(xiàng)探測要求相比，減少了4項(xiàng)。其中，單體電池的針刺要求也在Gb里面取消了。也就是說公司可以自行選擇針刺試驗(yàn)，并不作為強(qiáng)制性試驗(yàn)項(xiàng)目。
三元鋰離子電池針刺試驗(yàn)過程
“刀片電池”針刺試驗(yàn)過程
為了向外界進(jìn)一步證明試驗(yàn)的真切性，界面新聞?dòng)浾呓赵诒葋喌细サ现貞c廠現(xiàn)場觀看了針刺試驗(yàn)全過程。和早前的試驗(yàn)結(jié)果相同，三元鋰離子電池在針刺瞬間，電池組內(nèi)部出現(xiàn)劇烈的溫度變化，表面溫度迅速攀升至500℃，并發(fā)生極端的電池?zé)崾Э?，?dǎo)致劇烈冒煙燃燒現(xiàn)象。隨后進(jìn)行的比亞迪“刀片電池”在穿刺后無明火，無冒煙，電池表面的溫度在30-60℃左右。在靜置一段時(shí)間之后也未有分明冒煙爆燃現(xiàn)象發(fā)生。
對此，比亞迪汽車銷售公司副總經(jīng)理李云飛早前在微博上發(fā)文表示，針刺試驗(yàn)的目的就是為了讓電池內(nèi)部發(fā)生短路，以便在這種情況下看電池的熱安全性。
“刀片電池”要怎么樣誕生的？
實(shí)際上，“刀片電池”是一種采用全新結(jié)構(gòu)的“超級磷酸鐵鋰離子電池”。界面新聞?dòng)浾卟殚唽＠仲Y料后發(fā)現(xiàn)，“刀片電池”是將磷酸鐵鋰電芯長度陣列式排封裝在600mm≤第一尺寸≤2500mm的電池組中，通過陣列式排布的大電芯，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”相同堆疊在電池組里面。這種結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)辦法不僅可以有效提高動(dòng)力鋰離子電池組的空間利用率，新增同一單位體積中的能量密度；而且還能保障電池內(nèi)部的熱擴(kuò)散性能，從而達(dá)到安全的目的。
據(jù)比亞迪官方解析，比較傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰離子電池，“刀片電池”的最緊要的升級便是將電芯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)無模組設(shè)計(jì)，電芯筆直集成為電池組（即CTP技術(shù)），從而大幅提升集成效率。
“刀片電池”通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在成組時(shí)可以跳過“模組”，大幅提高了體積利用率，最終達(dá)成在同樣的空間內(nèi)裝入更多電芯的設(shè)計(jì)目標(biāo)。相較傳統(tǒng)的有模電池組，“刀片電池”的重量比能量密度可達(dá)到180Wh/kg，相比此前有模電池包提升約莫9%，電池在同等體積下能量密度上比傳統(tǒng)鐵電池提升了約50%，而搭載了刀片電池的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航表現(xiàn)可以達(dá)到約600公里，成本還能下降約30%。
對此，弗迪電池公司副總經(jīng)理孫華軍表示：“因?yàn)榈镀姵啬軌虼蟠鬁p少三元鋰離子電池因電池安全和強(qiáng)度不夠而新增的結(jié)構(gòu)件，從而減少車輛的重量，所以我們的單體能量密度雖然沒有比三元鋰高，但是能夠達(dá)到主流三元鋰離子電池同等的續(xù)航能力。”
在性能方面，孫華軍稱：“刀片電池33分鐘可將電量從10%充到80%、支持漢3.9秒百公里加速、循環(huán)充放電3000次以上可行駛120萬公里，以及超出業(yè)內(nèi)想象的低溫性能等數(shù)據(jù)表現(xiàn)，也奠定了其全方位碾壓三元鋰離子電池的‘超級優(yōu)點(diǎn)’?！?/p>
在重慶璧山區(qū)的弗迪電池廠內(nèi)，孫華軍在解析“刀片電池”加工工藝時(shí)表示，加工刀片電池最大的難點(diǎn)和亮點(diǎn)，緊要聚集在“八大工藝”。首先將近1米長的極片，非得實(shí)現(xiàn)公差控制在±0.3mm以內(nèi)、單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。這種疊片采用的是比亞迪完全獨(dú)立自主開發(fā)的設(shè)備和裁切辦法，目前是全球首創(chuàng)。
除疊片之外，刀片電池加工過程中的配料、涂布、輥壓、測試等其他工藝也要達(dá)到世界優(yōu)秀水平。例如，配料系統(tǒng)的精度在0.2%以內(nèi)；雙面同時(shí)涂布，涂布最大寬度達(dá)1300mm、單位面積涂敷重量偏差小于1%；1200mm超大幅寬的輥壓速度可達(dá)120m/min，厚度控制2μm以內(nèi)，確保寬尺寸極片厚度的一致性……
除此以外，弗迪廠內(nèi)部遍布加工車間、工序、條線的高精度傳感器，數(shù)以百計(jì)的機(jī)器人，以及符合IATF16949VDA6.3控制標(biāo)準(zhǔn)的品控體系等等，使得廠房設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，設(shè)備與設(shè)備之間的信息化，控制層面的智能化都是比亞迪有關(guān)“刀片電池”的投入。
動(dòng)力鋰離子電池市場格局
事實(shí)上，無論是磷酸鐵鋰或還是三元鋰離子電池本質(zhì)上并非絕對意義上的天然對立關(guān)系，而是有著各自優(yōu)缺點(diǎn)的兩種不同技術(shù)路線產(chǎn)物。早期而言，由于磷酸鐵鋰離子電池在續(xù)航里程等方面表現(xiàn)不如三元鋰離子電池，在乘用車市場中三元鋰離子電池裝車量占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著“刀片電池”在各項(xiàng)性能上與三元鋰離子電池相差無幾，將來磷酸鐵鋰離子電池在乘用車市場中的占比得到進(jìn)一步提升將是大概率事件。
六月九日，據(jù)AutomotiveNewsEurope援引知情人士消息稱，比亞迪和捷豹路虎正在洽談動(dòng)力鋰離子電池合作計(jì)劃，一旦雙方達(dá)成合作，比亞迪將在英國建立首個(gè)歐洲電池加工中心。同時(shí)，該名消息人士還表示，作為合作計(jì)劃的一部分，雙方也在考察是不是要在電驅(qū)動(dòng)技術(shù)開發(fā)方面開展合作。
這也是繼福特、豐田之后，又一家國外汽車品牌選擇比亞迪在動(dòng)力鋰離子電池方面展開合作。
此外，在工信部公布的最新一批新車申請目錄中顯示，國產(chǎn)特斯拉Model3接下來也將開始裝配磷酸鐵鋰離子電池。
不過，寧德時(shí)代也沒停歇步伐。其在六月十日宣布，將推出新型長壽命電池。該款電池采用自修復(fù)長壽命技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)16年超長壽命或200萬公里行駛里程，成本較現(xiàn)有電池新增不到10%。
從市場角度而言，有競爭才有進(jìn)步，無論是磷酸鐵鋰或還是三元鋰離子電池眼下均還不具有互相革對方命的基礎(chǔ)。而是基于各自優(yōu)點(diǎn)擁有各自細(xì)分市場，而市場格局則仍然將以兩種技術(shù)路線并存的現(xiàn)狀延續(xù)下去。
