这几天,新能源汽车媒体上比亚迪发布的刀片电池,引发热议。那么刀片电池到底有多犀利?

  首先,我们来了解一下什么是刀片电池。

比亚迪刀片电池

  刀片电池形如刀片,但本质上还是磷酸铁锂电池,并没有在电池的核心材料(正极、负极、隔膜及电解液)和化学原理上进行创新。但是比亚迪通过匹配磷酸铁锂电池单体结构的扁平化技术和电芯直接成组(即无模组)方案(刀片电池的成组方案,大幅提升了电池的成组效率和空间利用率),可以解决当前电动汽车动力电池高比能和安全性难以两全的困局(根据比亚迪的宣传)。

  那么刀片电池到底有多犀利?

  刀片电池将磷酸铁锂电池的体积能量密度提升了50%(反应到续航方面,相当于将磷酸铁锂电动汽车的续航里程从300-400km提升到了600km),并且能够轻松通过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(此时电池的稳定性最差)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。

  从比亚迪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。

  说到这里,我们来看看电动汽车动力电池都有哪些以及各自优缺点。

  在电动汽车技术发展的过程中,车企尝试采用了不同种类的蓄电池作为动力源,但出于对成本,技术的考虑。目前很多种类的蓄电池已经慢慢被市场所淘汰,如锰酸锂电池、钛酸锂电池等等。现在市场上在售的电动汽车配备的锂离子电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种,这两种电池在自身特点上存在显著差异。

  先说说磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池相比于三元电池,其成本更低,且循环寿命长。最重要的一点,磷酸铁锂电池的热稳定性是目前商业化应用车用锂离子电池中最好的,通常不容易发生起火爆炸的危险,因此一直是电动大巴等商用车的主要选择。但其最主要的缺点则在于单体能量密度较低,导致同样重量的电池下,续航里程比三元锂电池要差了不少(根据比亚迪的宣传:刀片电池可以解决这个问题,续航里程方面能够追平三元锂电池)。根据公开报道,国内软包结构的磷酸铁锂电池单体的能量密度已经能够做到190Wh/kg,通过在能量密度方面的提升,再结合在成本、安全性和循环寿命方面的优势,预计未来磷酸铁锂电池仍能够占据动力电池市场的一个重要份额。

  再来看看三元锂电池。与磷酸铁锂电池相比,目前大多数车企的乘用车都使用了三元锂电池,主要是因为三元锂电池的能量密度较高,也就是说在同样质量的情况下,三元锂电池的续航里程要比采用磷酸铁锂电池的车型更长,同时低温性能好。但三元锂电池的缺点就是热稳定性较差,生产技术门槛高,原料成本高。

  以下是典型动力电池的优缺点比较

典型动力电池的优缺点
指标 三元材料电池 磷酸铁锂(LFP) 锰酸锂(LMO) 钴酸锂(LCO)
镍钴铝(NCA) 镍钴锰(NCM)
能量密度Wh/kg >180 200-280 120-190 130-150 150-180
电压平台 3.7V 3.6V 3.2V 3.8V 3.7V
循环寿命 >2000次 >2000次 最高可达10000次以上 500-800次 >1000次
成本 最低 较高
材料资源 钴资源稀缺 钴资源稀缺 丰富 丰富 钴资源稀缺
温度范围 -30-65℃ -30-65℃ -20-70℃ -20-45℃ -20-80℃
优点 高能量密度,低温性能好 电化学稳定,循环性能好 高安全性,循环寿命长 成本低,安全性好 充放电稳定,生产工艺简单
缺点 安全性差,生产技术门槛高,原料成本高 用到部分金属钴,价格昂贵 低温性能较差,放电电压低 安全性差,能量密度低,电池寿命衰减严重 成本高,循环寿命较低,安全性极差

  由此可见,在所有的锂电池中,磷酸铁锂电池在安全性、稳定性和循环寿命方面占有天然优势。

  那么作为电动汽车消费者会更关注电动汽车动力电池的哪些指标呢?这些指标在刀片电池上是否能找到满意答案?我们一起来看看。

1. 安全

  来自比亚迪的消息称,刀片电池很好地遏制了自燃风险。首先,磷酸铁锂电池本身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较低,即到达自燃温度时,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高于三元锂电池,也就是很难“点着”;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。此外通过比亚迪特殊的结构设计(长条形)使得刀片电池散热面积比较大,短路的回路比较长,所以刀片电池产热的能力相对下降,温升速率比较小。

  此外动力电池安全还体现在电池包的结构强度上。刀片电池采用扁平化铝合金外壳和叠片工艺,内部设计紧凑,具有很高的结构强度,同时比亚迪将电芯拉长,并固定在电池包的边框上,这样电芯既是能量体,又可以作为电池包的结构梁,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,这种结构设计大幅提升了电池系统耐机械冲击和挤压的能力。

2. 续航里程

  刀片电池采用磷酸铁锂,安全性的优势并不让人意外。但是刀片电池的独特结构设计有效的提升了电池的体积能量密度,使得磷酸铁锂电池能够在乘用车上无续航顾虑的使用,堪称革命性的提升。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。

  比亚迪刀片电池采用扁平化和超长结构叠片工艺的设计,采用极简的电池系统成组方案,有效避免冗余零部件对电池包内部有限空间的占用,将电池包的空间利用率提升了50%,可以达到60%以上,从而提升了电池的能量密度。相比传统磷酸铁锂电池,刀片电池的体积能量密度提升50%左右,应用于比亚迪汉车型的刀片电池,续航里程可达600km,在续航方面基本追平三元锂电池。

3. 充电速度

  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. 低温使用性能

  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。

5. 电池的寿命

  寿命长是磷酸铁锂电池的一个显著的优势。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。 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。

  所以刀片电池在续航里程方面给出了满意答案。

6. 电池的更换成本

  刀片电池采用磷酸铁锂材料,避免了对钴和镍等贵重元素的依赖,结合特殊的电芯结构设计和极简的成组方案,大幅降低了电池系统的成本,相比传统磷酸铁锂电池包,刀片电池包的成本下降20%-30%。

  此外从比亚迪申请的专利可以看出,刀片电池电芯长度可以在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。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,刀片电池如果要适配各个厂家,就需要做出不同长度的刀片电池?从比亚迪申请的专利可以合理的推测: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,尽管可能不同厂家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,因此使用刀片电池的电动汽车更换电池包的成本就可以进一步降低。

资料来源:比亚迪专利CN201911012284

  随着2019年性能与汽车补贴政策的大幅退坡,处于成本考虑,搭载磷酸铁锂电池的的乘用车明显增多,在此关键阶段,刀片电池犀利登场,期待它的表现足够犀利。

  来源:中汽中心有限公司

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