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文科生也別怕 一文帶你看懂比亞迪刀片電池針刺實驗

網友們都對這個視頻非常感興趣,有人認為,實驗結果直接證實了比亞迪刀片電池更加安全,也有人對於實驗的過程提出了質疑。

2020-03-27 15:51 / 0人閱讀過此篇文章  

本周,比亞迪發布了磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池與比亞迪刀片電池做針刺實驗的對比視頻。網友們都對這個視頻非常感興趣,有人認為,實驗結果直接證實了比亞迪刀片電池更加安全,也有人對於實驗的過程提出了質疑。今天就基於《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》和大家好好聊聊動力電池安全實驗,以及針刺實驗究竟難在哪裡。

由於看到原視頻評論下方有不少朋友反映視頻看不懂,這篇文章就把知識點拆分開來,分為以下的幾個部分:

1、電池安全的國標測試方法介紹2、不同電池類型介紹3、刀片電池參數回顧4、針刺實驗結果解讀5、工程師對於磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的看法6、總結

目前電池安全的國標測試方法介紹

在國標電池安全要求里電動汽車動力蓄電池單體、電池包或系統導致的危險是指:

——泄漏,可能導致電池系統高壓、絕緣失效間接造成人員電擊、電池系統起火等危險;

——起火,直接燒傷人體;

——爆炸,直接危害人體,包括高溫燒傷,衝擊波傷害和爆炸碎片傷害等;

——電擊,由於電流流過人體而引起的傷害。

所以工業和信息化部專門基於這些危險情況設計了電池安全的國標測試方法。目前國內電動車電池安全的測試還是使用的 2015 版國標,而基於 GB/T 31485—2015 《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》和 GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第 3 部分:安全性要求與測試方法》制定並升級的標準制定計劃已於 2016 年 9 月正式下達,計劃編號 20160967- Q-339。

現有的國標電池安全試驗項目主要分為:振動試驗、機械衝擊、模擬碰撞、擠壓、溫度衝擊、濕熱循環、海水浸泡、外部火燒、鹽霧、高海拔、過流保護、過溫保護、短路保護、過充電保護、過放電保護。在新國標尚未正式推行的情況下,新能源車企可以選擇性執行新國標規定的過充和熱擴散試驗,2015 版國標強制要求的針刺試驗現在也作為可選項目由企業選擇性執行。

試驗條件:最新標準中環境溫度的要求溫度範圍為 22℃±5℃,相對濕度為 10%~90%,大氣壓力定義為 86kPa~106kPa,荷電狀態 SOC 由 100% 改為50%。

不同電池類型介紹

了解了電池安全的國標測試方法之後,我們還需要知道不同的電池類型。目前的純電動車用的動力電池多為鋰離子電池,常見的有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、鈦酸鋰電池等。鋰離子電池的基本結構主要由正極、負極、電解液、隔膜、集流體、電極引線以及殼體等組成。

普通消費者聽到最多的主要還是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。其中三元鋰電池主要有 NCM 配比為主的方形電池(常見的有寧德時代 NCM811 電池)、NCA配比的圓柱電池(常見的有松下提供給特斯拉的 21700 電池)和 磷酸鐵鋰電池,這些叫法其實就是基於電池正極的材質不同。

動力電池正極材料可以分為鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、三元鋰電(鎳鈷錳酸鋰NCM、鎳鈷鋁酸鋰NCA)等多種技術路線。負極一般由石墨、石墨烯等碳系負極、鈦酸鋰等鈦系負極或者矽、錫等合金系負極組成。電解液為含有鋰鹽的有機溶液,是實現鋰離子(Li+)流動的載體,一般採用含 LiPF6 的混合溶劑體系。隔膜通常由聚乙烯或者聚丙烯膜構成,起到分隔正負極的作用,並在阻隔自由電子通過的同時提供 Li+來回穿梭的通道。集流體有正負兩種分別對應正負極,正極集流體通常為鋁,負極集流體通常為銅或鎳等。

刀片電池參數回顧

看完上面的解釋,不熟悉電池技術的朋友又有疑問了,那比亞迪這個刀片電池又是什麼電池?其實刀片電池的正極材料也是磷酸鐵鋰,只是在刀片電池上多了 CTP 技術,單體電芯的設計。所以在對比測試的實驗視頻裡面,刀片電池看上去和磷酸鐵鋰電池的樣子差異很大。

圖片來自:汽車之家

回歸本質來說,其實比亞迪的刀片電池依然屬於磷酸鐵鋰電池類目。只是比亞迪刀片電池採用自家研發的長度大於 0.6 米的大電芯,電池單體同樣向大容量進化,但電芯形狀更加扁平、窄小(長邊可以定製變化,單體最大穩定長度可以達到 2100mm),電芯通過堆棧式擺放,就像「刀片」一樣插入到電池包里,這也是大家稱之為「刀片電池」的原因。最新車型比亞迪漢即將搭載的正是這款「刀片電池」,體積比能量增加 50%,成本下降 30%,續航里程達到 605km。

另外,我們在這裡也簡單介紹一下 CTP 是什麼意思,其實目前一般電動汽車上搭載的電池包,由電芯(Cell)組裝成為模組(Module),再把模組安裝到電池包(Pack)里,形成了「電芯(Cell)——模組(Module)——電池包(Pack)」的三級裝配模式。而 CTP,即 Cell to PACK,是電芯直接集成為電池包,從而省去了中間模組環節。既然說是取消模組直接集成到電池包,從而使得比亞迪刀片電池的體積利用率相比老的三元鋰電池大幅提升,同時系統能量密度也可以間接提升。

刀片電池的針刺實驗解讀

內短路條件下的動力電池動態熱特性是很多動力電池製造商都非常關注的研究領域。其中內短路區域的大小是影響電池內短路行為的重要因素,電池內部的內短路區域的半徑越大,反應釋放的熱量越高,內短路達到的最高溫度也越高。由電池生熱機理可知,濫用條件下生成的副反應熱是電池生熱的一種極端情況,而針刺實驗就是基於這樣的背景下出現的一種極端測試方法。

針刺實驗的過程並不複雜,按照國標中的針刺試驗方法規定,需要將電池充滿電,用直徑為 6-10mm 的耐高溫鋼針(針尖圓錐角度45°~ 60°),以(25±5)mm/s的速度,從垂直於電池極板的方向貫穿,貫穿位置宜靠近所刺面的幾何中心,鋼針停留在電池中,觀察1小時,不起火、不爆炸才算合格。

比亞迪發布的視頻中,對比針刺試驗的電池樣品都是比亞迪生產的車用動力電池電芯,三個實驗樣品分別是普通磷酸鐵鋰電池和NCM622三元鋰離子電池和刀片電池。由於視頻里的火光以及實驗後三元鋰電池的表面高溫,引發了網友熱議。

實驗結果:

NCM622 三元鋰離子電池:鋼針刺穿電池的瞬間,電池外殼迅速鼓脹,電池泄壓閥打開,內部高壓電解液噴出,電池發生起火,電池外殼表面溫度超過500℃。

普通磷酸鐵鋰電池:熱失控後電池內部溫度和壓力迅速上升,電池外殼產生一定程度鼓脹,電池泄壓閥打開,電池沒有發生起火和爆炸,電池外殼表面溫度 200℃-400℃。

刀片電池:鋼針刺穿電池後,電池電壓下降,穿刺位置沒有火花、煙霧或電解液噴出,電池殼體也沒有出現鼓脹,電池外殼表面溫度30℃-60℃。

實驗結果為什麼差異這麼大,首先我們要知道熱失控和熱擴散分別是什麼意思。熱失控(thermal runaway)是指電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控上升的現象。熱擴散 (thermal propagation)是指電池包或系統內由一個電池單體熱失控引發的其餘電池單體接連發生熱失控的現象。針刺實驗通過模擬鋰離子電池內短路,當金屬針以一定的速度緩慢的插入到鋰離子電池的內部,從而引起電池內部短路。此時電池的電量都在通過短路點進行釋放,這部分熱量最終都轉換為熱能,由於生成的熱量無法及時的擴散,從而使的短路點瞬間的溫度可達到 1000 ℃ 以上,從而引發熱失控。

反應熱的數學模型

從化學的角度分析,鋰離子電池的電解質中通常含有碳酸酯。碳酸酯在高溫下會分解產生氫氣和氫自由基,氫自由基將和氧氣反應生成羥自由基和氧自由基,而氧自由基又會和氫氣反應產生更多的氫自由基,如此循環,不斷燃燒。所以一旦發生熱失控後果都是非常嚴重自燃事故。

結合本次的實驗視頻,三元鋰電池在電池內短路時,正極材料分解溫度在 200℃ 左右,熱失控後生成的熱量無法及時的擴散,所以出現熱失控後是不可逆的過程。而刀片電池屬於磷酸鐵鋰電池,正極材料分解溫度在 500℃ 以上,熱失控溫度相比三元鋰離子電池更高,加上刀片電池單個電芯很薄,電池內短路引起的放熱並不明顯,並不會出現強烈的熱失控。而且刀片電池相比於普通的磷酸鐵鋰電池,刀片電池外殼的散熱面積大,生成的熱量可以及時的擴散,所以電池外殼表面溫度一直保持在 30℃-60℃。實驗過程中,甚至連放置在刀片電池外殼表面的雞蛋都沒有被煎熟。

在視頻發布之後,微博評論里有細心的網友發現,刀片電池的那個視頻段落里,放置在刀片電池外殼表面的雞蛋並不是全程都放置在電池上。這個問題廠家並沒有進行回復,但是從刀片電池外殼溫度的變化數據來看,可能只是剪輯的問題。由於穿刺測試的實驗時長需要觀察一個小時,不可能把整個過程都記錄在這個視頻里。對於沒有發生嚴重熱失控的刀片電池,可能是在等待的後半段,工程師才把雞蛋放置到電池表面。如果大家對這個地方存在疑惑,我們也會在後期去到比亞迪工廠,給大家拍攝一次針刺測試全程視頻。

針刺測試的通過率極低

其實出現這樣的實驗結果並不讓人意外,在之前的數據里針刺測試的通過率極低,這也是為什麼在 2017 年 1 月 17 日發布的《新能源汽車生產企業及產品准入管理規定》中,GB/T 31485—2015 中的針刺測試為暫不執行項目。起草組調研 IEC 62660-2,IEC 62660- 3 等標準,也未採用來評價電池安全性。

對於未來磷酸鐵鋰和三元鋰的展望

在今年的新能源車推廣目錄里,我們發現理想用了比亞迪電池、北汽新能源用了寧德時代磷酸鐵鋰電池,而且未來的國產特斯拉 Model 3 也會使用磷酸鐵鋰電池。種種跡象似乎表明磷酸鐵鋰電池有捲土重來的可能,那麼三元鋰電池會被取代嗎?

北汽新能源用了寧德時代磷酸鐵鋰電池

其實我並不這麼認為,由於磷酸鐵鋰電池的能量密度在現有的材料體系結構以及研發技術下難以再有大幅度提升,較難滿足電動汽車未來對續航里程不斷增長的需求以及國家對動力電池提出的發展規劃要求:即 2020 年電池能量密度達到 300Wh/kg,2025 年達到 400 Wh/kg,2030 年達到 500Wh/kg。

2019年主要廠商不同材料類型鋰電池裝機情況(圖片來自:汽車與配件)

在面向普通用戶的乘用車特別是主打高續航的純電動領域,高能量密度的三元鋰電池在提升電動汽車續駛里程方面有明顯優勢,但與磷酸鐵鋰電池相比,三元鋰電池熱安全性差,極端濫用條件下容易熱失控的性能特點是其在電動汽車上進一步應用推廣面臨的嚴峻考驗。

推薦車型目錄乘用車磷酸鐵鋰電池占比(圖片來自:汽車與配件)

特別是在刀片電池的推出之後,體積能量密度提升,整體的重量以及接近於三元鋰電池,能量密度也足以滿足大多數家用車的需求。加上輕薄的設計,可以滿足不同種類的純電動的布局需求。

新能源車企工程師看法

基於電池線路的選擇,我們也採訪了北汽新能源 BEIJING 品牌工程師幾個問題,工程師的具體回答如下。

1、部分車企開始重新使用磷酸鐵鋰電池,以後磷酸鐵鋰電池是否會成為主流?

十三五期間三元電池快速發展的同時,磷酸鐵鋰電池的能量密度也有了較大提升,從 2015 年的約 125Wh/kg 提升到了接近 170Wh/kg,部分電芯已經達到了180Wh/kg。得益於磷酸鐵鋰電芯能量密度約 50% 提升,以及電池系統集成技術的提升,現在同樣相同體積下,2015 年只能跑 200km 的車現在也能跑到 300-350km,這一里程範圍已經能夠滿足部分市場需求,再加上相對於三元電池的成本優勢加持,使得磷酸鐵鋰電池在這一市場站穩腳跟。

但是,根據中國信息數據中心公布的數據顯示,400km 以上的續航里程,仍然是當前電動汽車絕大多數用戶的需求,據此判斷,高比能三元電池仍然將會是市場主流需求。

2、預測一下磷酸鐵鋰和三元鋰兩種電池方案的未來發展方向?

面對差異化的市場需求,對於長續駛里程的車型仍會採用高能量密度的三元鋰電池,而相對於一些僅需要滿足其日常里程需求,追求性價比的用戶來說,磷酸鐵鋰電池恰恰是一種更好的選擇。因此我認為兩者會各自占領其不同的市場份額。未來三元鋰電池在發揮高能量密度優勢的同時著力於解決自身電池安全不穩定的問題,而磷酸鐵鋰電池會繼續提升能量密度。

3、BEIJING 品牌的車型未來是否會換上磷酸鐵鋰電池?

北汽新能源為用戶提供豐富多樣的產品配置,其中會包括磷酸鐵鋰電池配置的車型。差異化的市場需求帶來差異化的產品配置,針對不同的用戶群體打造不同產品矩陣。

對於動力電池線路的選擇問題,上汽乘用車的工程師也給出了他們的見解。工程師的看法如下:

在電動汽車發展前期,電池包能量密度<140Wh/kg,這樣整車 NEDC 續航里程大多低於 300km。當時影響電動汽車發展的瓶頸在於續航里程,且有國家補貼政策支持,可彌補經濟性的不足,所以三元鋰電池是首選。隨著國家新能源補貼政策的退坡,大家都面臨巨大降本壓力。與此同時,磷酸鐵鋰電池被人詬病的能量密度和充電缺點,也在隨著技術的發展得到改善。

Ø 能量密度方面,隨著CTP(Cell to PACK),即是電芯直接集成為電池包技術的成熟,更高效電池包集成、更低整車能耗,磷酸鐵鋰車型的續航已有能力提升至 400km 甚至 500km 以上。

Ø 充電方面,隨著電芯快充、熱管理、充電樁技術的發展,應用於乘用車的磷酸鐵鋰電池也基本可以做到與現有主流三元相同的快充速率。

Ø 成本方面,國家補貼政策退坡,NCM811 電池雖降低了鈷含量降低成本,但工藝複雜,現階段生產成本較 NCM523 無明顯優勢。此時成本更低、壽命更長的磷酸鐵鋰電池,自然被更多車企選擇,成為主流趨勢。或者說銷量占比會很高。

總的來說,今後這兩種電池材料將同時存在。據市場端需求定位規劃,為用戶購車提供了更多的選擇,不存在誰替代誰。

1) 磷酸鐵鋰電池充分發揮其在成本、壽命及安全方面優勢主打中低端的車型和運營車,續航里程 ≥400km,也可以達到 500 甚至 600km。

2) 三元依賴於其高的能量密度、更快的快充速度、更長的續航里程,主打中、高端的私人銷售端車型,續駛里程 ≥500km,可以達到 600 甚至 700km。

蔚來的工程師也基於這個問題給出了自己的觀點

如果鐵鋰流行,可能意味著以能量密度為基礎的補貼政策將不再作為車企的追隨目標。三元和鐵鋰各有優缺點,不能簡單說鐵鋰就是將來唯一的方向。

編輯總結 /

一段視頻將磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池線路之爭的話題炒的火熱,在與專業工程師溝通之後,我也聊聊我的觀點。對於這兩種正極材料不同的鋰電池,我認為可以當成是互補的關係。就好比是渦輪增壓以及機械增壓一樣,同樣是提高發動機的功率,結構的不同的兩種技術可以適合不同性格的汽車。而對於新能源車同樣如此,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池各有自己的優勢,對於不同設計取向的新能源車,同樣可以選擇最適合的動力電池。而隨著電池技術的不斷提高,純電動車的續航、充電速度以及電池耐久度也會邁入新的台階。






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