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安全且高效,比亚迪的刀片电池能否为电动车行业“劈出”一条康庄大道?

2020-09-15 18:49 前瞻网   

 

 

安全且高效,比亚迪的刀片电池能否为电动车行业“劈出”一条康庄大道?

本月初,据疑似比亚迪内部员工的人士爆料称“‘1号客户’高层参观了弗迪电池工厂(比亚迪全资子公司)刀片电池各生产工序”,其中的细节披露“1号客户”为百年车企,位居全球最佳品牌100强前列,随后更是流出了内部会议照片。

除了神秘的“1号客户”外,还有媒体从比亚迪内部获悉,弗迪电池青海工厂日前还获得内部代号为“19号”的客户的审核。

此外,弗迪长沙工厂正在进行大规模招聘,近日更是举办了百日生产誓师大会,力争在今年12月15日实现首条产线投产,“刀片电池”产品下线。按照此前规划,弗迪长沙工厂的投产时间为明年4月。

从这一系列的爆料和其自身的举动可以看出,市场对比亚迪刀片电池抱有极大期待,刀片电池为何能获得如此青睐呢?

与众不同,不走寻常路

刀片电池的最直观改变就是其外观,又长又薄(相对而言),故此得名。此前有媒体在弗迪电池的重庆工厂参观时,拿到的电池测得长宽厚分别是96CM、9CM、1.35CM,重量约2KG左右。根据比亚迪申请的专利显示,刀片电池的长度可以定制,在0.6米—2.5米之间。

刀片电池用于电动车时,需要多个单体电池共同使用,此时,可以将其称之为电芯,最终合并后的“大电池”就是电池包。

目前市面上其他电动车电池的电芯造型各异,特斯拉Model S 85 2014款的电池包是由7104节18650锂电池组成,这种锂电池由松下生产,造型和日常生活中所用的5号干电池无异。

除了特斯拉的圆柱形电芯,有的厂商也采用了砖块造型,宝马i3、荣威ERX5和蔚来ES8就是如此。还有的车型,比如别克VELITE 5和奇瑞eQ,电芯则是软包电池(手机使用的就是软包电池),使用铝塑膜作为封装材料。

可以看出,刀片电池的外形和目前常用的造型确实很不一样,其实,刀片电池的内部结构也不太一样。

首先是规格,比亚迪刀片电池的电极和隔膜都做成了长方形的片状结构,正极片(946x83mm)、负极片(944x85mm)长宽比更是超过了10:1,这样的比例在传统锂电池中根本没有。

其次,组装方式也有很大差异,刀片电池的组装形似“奥利奥”,正负极片将隔膜夹在其中,再装配盖板、侧板和隔圈etc并套壳,就形成了单体电池。

与之相比,目前常见的锂电池内部结构均采用“环绕”的形式,层层包裹,上面提到的18650锂电池和常见的方块锂电池就是如此。

安全且高效,比亚迪的刀片电池能否为电动车行业“劈出”一条康庄大道?

从上图可以看出,刀片电池真的很薄,比亚迪的过人之处在于在保持“纤细身材”的同时,其能量也得到了保障。

很薄,但也很强大

在使用刀片电池的三款汉系列车型中,汉EV四驱高性能版旗舰型NEDC续航可达550KM,其他两款更是达到了605KM。这一成绩虽然相比特斯拉Model S长续航全轮驱动版的660 KM续航还有一定差距,但也可以说是不相上下。

但是,Model s采用的是三元锂电池,而刀片电池则是磷酸铁锂电池,前者比后者的单位能量密度高出许多,比亚迪能达到这样的续航实属不易。

在了解比亚迪是怎么做到这一点之前,我们需要先了解三元锂电池和磷酸铁锂电池。

三元锂和磷酸铁锂都是动力电池的正极材料,对电池能量密度有着决定性作用,所以在电池命名规则上,多以正极材料来命名,负极一般都是石墨。

三元锂电池的“三元”指的是包含镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)或铝(Al)三种金属元素的聚合物。镍用于提升能量密度,增强续航;钴用以提升稳定性和延长电池的寿命;铝或锰价格低廉,钴则十分高昂,因此多用价格便宜的铝或锰替代以降低成本。

磷酸铁锂电池的正极材料是磷酸铁锂,磷酸铁锂是一种新型锂离子电池电极材料。其特点是放电容量大,价格低廉,无毒性,不造成环境污染。

作为比较,这两种电池各有胜负,不过在能量密度这一关键参数上,三元锂电池更胜一筹。

由于能量密度更高,体积相同的情况下,三元锂电池可以提供更长续航时间,因此其得到了更多厂商的青睐。但是,比亚迪作为磷酸铁锂电池的坚定使用者,不断改进技术,这一次更是让采用刀片电池的汉EV续航达到了550-605公里,直逼高能量三元锂电池。

这一突破则是得益于刀片电池的独特设计。

在今年3月召开的线上发布会上,比亚迪表示,相比于方壳电芯有模组电池包,刀片电池包的零件数量减少了40%,体积利用率增加了50%,内部空间利用率达到了60%以上(传统电池只有40%)。在体积能量密度(wh/L)方面,刀片电池包达到了237-275wh/L,优于传统电池的202-259wh/L。

比亚迪通过做减法达到了这一结果。

电动车电池的传统封装,比如上面我们提到的特斯拉Model S 85 2014款,采用的都是电芯→模组→电池包的方式。18650锂电池就是电芯,电池组就是模组,最后的成品就是电池包。

这种方式对电池包的内部空间占用较大,利用率低。比亚迪跳过了模组,采用CTP技术(cell to pack,电芯到电池包),这样,每块刀片电池既是电芯,又是结构部件(相当于模组)。节省的空间又可以放下更多电芯,续航也就得到了增强。

通俗来说,我们将电芯比作拥有隔间的独立工位,模组比作拥有数个工位的办公室,电池包比作拥有数个办公室的公司。比亚迪拆掉各个办公室,直接在公司内摆放工位,从而减少空间占用,增加工位,提高了工作产出。

需要说明的是,CTP封装并不是比亚迪的专属,而是由宁德时代提出的,后者也是特斯拉的供应商。

除了封装工艺,比亚迪在电芯内部同样作了改进,一改之前的卷绕工艺电芯,转而采用叠片工艺,将极片层层叠压,没有浪费“边角料”。

安全且高效,比亚迪的刀片电池能否为电动车行业“劈出”一条康庄大道?

当然,我们所说的刀片电池增强是相对的,与三元锂电池相比,能量密度还有一定差距,这是由成份决定的,难以通过物理手段实现突破。不过,在消费者最关心的安全性方面,刀片电池可以说是遥遥领先。

安全,比续航更关键

中国在新能源汽车推广中,对小型乘用车和客车的管理是分开的,前者规定可以使用三元锂电池,后者自2017年开始就被推荐使用磷酸铁锂电芯。这种“差别对待”背后的考量就是安全。

三元材料热稳定性较差,在200℃左右的外界温度下,就会分解并释放出氧气,加之可燃的电解液和碳材料,十分易燃,在短时间内就会爆炸,留给司乘人员的逃生时间不足。更重要的是,由于燃烧过程中释放氧气,所以火势也较难扑灭。

相比之下,磷酸铁锂热稳定性好,在700℃时才会发生分解,且不会释放氧气,燃烧过程中一旦氧气源被切断,火就能熄灭。

打个比方,三元锂电池就好比在车上放了一堆火药,磷酸铁锂电池更像是一对煤,这二者的安全性不言而喻。

在此前的发布会上,比亚迪表示要“把‘自燃’从新能源汽车的字典里抹去”。这也从侧面证明了当下新能源汽车的安全性问题。

这番话的底气就在于刀片电池通过了针刺实验。

根据2015版国标GB/T 31485-2015的规定,针刺实验就是将电池充满电,用直径为5-8mm的耐高温钢针,以(25±5)mm/s的速度,从垂直于电池极板的方向贯穿,贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心,钢针停留在电池中,观察1小时,不起火、不爆炸才算合格。

这种测试堪称“地狱难度”,所以针刺试验现在也作为可选项目由企业选择性执行。

在某机构进行的评测中,对刀片电池、三元锂电池和普通磷酸铁锂电池分别穿刺。结果显示,三元锂电池在刺入瞬间就膨胀爆炸,且燃烧了较长时间;普通电池外壳膨胀,没有爆炸起火;刀片电池不仅没有爆炸,其外壳温度甚至保持在了30℃左右,表现出了极佳的安全性能。

这一效果也得益于刀片电池“极简”的内部结构。内部的极片很薄,板层数少,所以钢针穿透的极板数量少,触发的内部短路发热也就少。此外,由于电池外形修长体薄,增加了接触面积,减少了温控系统的压力,散热性能得以提升。

总的来说,刀片电池的提升还是很大的,安全性、稳定性大幅增加,续航甚至可以比肩优质三元锂电池。发布之后比亚迪股价也应声上涨,也凸显了市场对其的乐观态度。

刀片电池的意义不仅在于为磷酸铁锂电池正名,其工艺技术也为业界提供了新的思考。有业内人士表示,刀片电池的工艺同样也可用于三元锂电池,只不过在安全等方面还需要更多的研究。

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责任编辑: 3976DBC

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