鋼針刺穿刀片電池結果驚呆了 被比亞迪狠狠上了一課

　　【太平洋汽車網 技術頻道】當許多人對磷酸鐵鋰嗤之以鼻的時候，比亞迪默默拿出了新的電池結構成果——刀片電池，繼續堅守磷酸鐵鋰電芯這條技術路線。刀片電池究竟有什么樣的魅力呢？這么說吧，2008年比亞迪推出了搭載磷酸鐵鋰電池的純電動車比亞迪e6，電池單體容量是45Ah。而2020年首搭于比亞迪漢的磷酸鐵鋰電池，在電池單體體積變化不大的前提下電池單體容量為138.5Ah，并且電池包的體積利用率從40%提升到60！這就是刀片電池結構的最直觀明顯的提升。

　　當高安全性的磷酸鐵鋰電池解決了能量密度低的問題之后，這便意味著，從前磷酸鐵鋰電池主要用于電動商用車、電動乘用車用三元鋰電池的局面將會被打破。

　　電動車傳統電池包內部采用的是由多個電芯組成的模組，再將模組安裝到帶有橫梁、縱梁的外殼上，組合成電池包，形成了電芯-模組-電池包三級裝配模式，從模組到橫梁、縱梁都占用了寸土寸金的電池包空間，限制了電池包能量密度的提升。

　　而“刀片電池”采用的就是大家既陌生又熟悉的CTP（Cell to Pack）無模組結構設計，省去了中間模組環節，直接將電芯集成為電池包。如果將比亞迪漢的電池包拆解開來，我們可以得到一堆長度1米，寬度10厘米，厚度不到2厘米的電池單體，這些電池單體緊密排在一起，就像“刀片”一樣插進電池包，所以才得名刀片電池。

　　并且電池包內部幾乎沒有橫梁或縱梁，薄如刀片的磷酸鐵鋰電池組合起來就能起到提升電池包整體結構強度的作用。于是，寸土寸金的電池包內部得以安裝更多塊電池單體，體積利用率得到極大提升，電池包總容量也就提上來了。在采用磷酸鐵鋰電芯的前提下，刀片電池結構將磷酸鐵鋰電池的容量/續航水平拔高到了和三元鋰電池的同一水平線。

　　回到我們的第一個問題刀片電池是什么？其實一句話就能說清，刀片電池代表的是一種新的電池結構，其意義就在于通過改變電池結構的方式提高了電池的體積利用率。那么就會有人開始想到，三元鋰電池是否也可以采用刀片電池結構呢？

　　我們從弗迪電池工程師的口中了解到，在弗迪電池當前技術儲備下，三元鋰電池也是可以做成刀片電池結構，但弗迪沒有采用三元鋰電芯路線的主要原因還是耐高溫性能不如磷酸鐵鋰材料，為了彌補三元鋰電池的熱安全性，在設計電池包時需要預留更多的空間設計防火墻。

　　而采用磷酸鐵鋰正極材料會有哪些優勢？在電動車常用的兩種主流電池當中，磷酸鐵鋰材料本身具有放熱啟動溫度高、放熱慢、產熱少、材料在分解過程中不釋放氧氣難以起火這四大優勢。打個比方，在500℃溫度下，磷酸鐵鋰材料結構還非常穩定，但三元鋰材料在200℃左右時就會發生分解，產生劇烈的化學反應釋放氧分子，引發熱失控。

　　從電池材料熱安全的角度來看，磷酸鐵鋰有天然優勢，但過去磷酸鐵鋰電池的能量密度遠不及三元鋰，最終還是在新能源汽車電池補貼大戰敵不過三元鋰電。刀片電池結構的出現將扭轉這一態勢，使得其在發揮熱安全優勢的前提下，縮小與三元鋰電池的能量密度差距甚至持平。

　　據弗迪電池介紹，搭載在漢EV的刀片電池包在熱擴散試驗當中的表現也優秀，在強制引發位于中間的電池熱失控至350℃后，鄰近電池表面溫度最高也才80℃，沒有起火、爆炸發生。

　　說完優點，其實磷酸鐵鋰材料也并且沒有短板，在極端低溫環境下，三元鋰的放電容量明顯高于磷酸鐵鋰，在零下20℃的條件下，磷酸鐵鋰的釋放的電量會大打折扣。并且在低溫低電量條件下的充電功率，磷酸鐵鋰要低于三元鋰，低溫環境簡直是磷酸鐵鋰的天敵。

　　不過據弗迪電池的介紹，經過優化后的熱管理系統可以保證刀片電池包在-35℃的極端低溫環境下仍能夠保持在最佳工作狀態。 

　　說到針刺實驗就不得不提一提比亞迪和寧德時代的“曠世大戰“，我們先來簡單回顧一下吃瓜要點。故事要從比亞迪3月29日的那場刀片電池發布會開始說起，筆者當時坐在電腦面前看直播都能聞到濃濃的火藥味，比亞迪宣稱要改變行業對三元鋰電池的依賴，將動力電池的技術路線回歸正道！

　　并展示了刀片電池與三元鋰電池的針刺實驗對比視頻，實驗結果令人大跌眼鏡：三元鋰電池劇烈燃燒，表面溫度瞬間超過500℃，電池表面的雞蛋被炸飛；而比亞迪的刀片電池就像沒事發生，表面溫度30~60℃。在這場直播中雖沒點名道姓，但明眼人都知道三元鋰電池市場份額最大的正是比亞迪電池最大的對手——寧德時代。

　　直到5月11日，在寧德時代的財報峰會上，寧德時代董事長曾毓群直言：電池的安全和電池的濫用測試是兩回事，但有些人把濫用測試通過等同于電池安全。寧德時代的回應，瞬間將事件推向高潮，隨后這兩家電池巨頭在微博上展開了激烈的隔空互懟。

　　其實比亞迪與寧德時代的爭論的根源莫過于針刺實驗對于驗證電池安全到底有沒有用？

　　在《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》2015版國標當中，是存在電池單體針刺測試這一項目的。但隨著大家都轉而投向能量密度高的三元鋰電池，國家不得不對這項法規進行修訂。在最新強制性國標中，刪除了電池單體針刺測試，取而代之的是電池系統熱擴散試驗。在熱擴散試驗中，可以自行選擇加熱觸發熱失控，或者針刺觸發熱失控，也就是針刺測試變成了一門選修課。

　　用一根大直徑鋼針刺穿電池，模擬電池短路進而觸發熱失控，是目前為止最嚴苛的測試方法，而且無論從鋼針直徑、刺穿速度來看，我們的國標測試方法在國際上都是最為嚴苛的。

　　帶著針刺實驗的疑惑，筆者來到了比亞迪位于重慶的弗迪電池工廠，親眼目睹了針刺實驗的整個過程。在針刺實驗開始前，刀片電池和三元鋰兩種電池都已經是滿電狀態，刀片電池滿電狀態電壓為3.4v，三元鋰電池也達到了滿電狀態的4.16v。

　　首先開始進行測試的是三元鋰電池，在調試完測試設備，一切準備就緒后，試驗工程師回到指揮間。只聽工程師一聲令下，還沒等我們反應過來，隔著玻璃的隔壁試驗間就傳來了猛烈的爆炸聲。三元鋰電池一扎就爆了，針刺點被瞬間炸飛導致針刺溫度未采集到。

　　之后用同樣的方法測試刀片電池，場面毫無波瀾，沒有明煙明火。我甚至一度懷疑針刺試驗是否已經開始，但從監控及玻璃房中可以清晰地看到鋼針確實已經穿透刀片電池了。

　　由于刀片電池兩端較長，電壓處于緩慢釋放的過程，安全閥溫度也只是緩慢上升，2分鐘后針刺點溫度也才上升至33℃，安全閥溫度上升至22℃左右。

　　刀片電池的概念并不新鮮，但想走出實驗室量產裝車就不是一件簡單的事了。刀片電池最難最核心的部分其實是在于疊片工藝，不同于傳統電池所采用的纏繞工藝。疊片工藝是把正極、負極材料切成小片與陶瓷隔膜合成小個電芯單體，然后將多個小電芯單體堆疊成一個大電芯單體。這樣一來，疊片工藝賜予了刀片電池的高能量密度，但這種做法的成本也更為昂貴且麻煩。

　　因此刀片電池難點不在于整個電池結構的設計，而是輥壓、疊片、切片等工藝的開發，由于市面上現有的疊片機最多只能做到600mm長，遠遠滿足不了比亞迪刀片電池1米長的極片，因此這種疊片采用的是比亞迪完全獨立自主開發的設備和裁切方案。

　　除疊片之外，刀片電池生產過程中的配料、涂布、輥壓、檢測等其他工藝都達到了頂尖水平。例如，配料系統的精度在0.2%以內；雙面同時涂布，涂布最大寬度達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120m/min，厚度控制2μm以內，確保寬尺寸極片厚度的一致性。

　　第一個吃螃蟹的人是令人佩服的，比亞迪刀片電池的橫空出世，讓刀片電池跟比亞迪劃上了等號，刀片電池雖不是比亞迪率先提出的，但當大家閑暇談論起刀片電池時，率先想到的一定是比亞迪。在大家都認為磷酸鐵鋰電池該被淘汰時，比亞迪的刀片電池狠狠地給我們上了一課。（圖/文/攝：太平洋汽車網 張景森）