天下苦電池久矣,刀片電池會帶來改變嗎?| 極客視野

摘要

新技術 + 老電池的解決方案,或許能夠解決電動車的自燃問題。

天下苦電池創新久矣。

在混合動力汽車和純電動汽車的歷史中,磷酸鐵鋰電池一度被廠商認為是最靠譜的選擇。但現在的家用新能源汽車當中,這個名詞幾乎無人再提及。原因是另一種技術路線逐漸占據上風,即人們現在聽到最多的三元鋰電池

「行業對三元鋰電池過于依賴,導致消費者對新能源汽車的安全打了個一問號。」比亞迪董事長兼總裁王傳福說道。

這一次,比亞迪針對車載動力電池領域的痛點,推出了「刀片電池」,在電池創新的問題上向前邁進了一步。

什么是刀片電池?一般來說,電動汽車的電池包由多個電芯組成的模組構成。如特斯拉使用的電芯,就是一個個圓柱型的 18650 電池。為了讓電芯模組在車內保持穩定,需要用螺栓、橫梁、縱梁等加以固定。刀片電池的不同之處在于,它省去了模組這一步驟,直接將電芯用陣列方式裝進電池包內,進而提升了內部空間利用率。

         刀片電池結構圖 | 比亞迪         

比結構更創新的點在于,刀片電池把人們的目光重新拉回到已經快被家用電動汽車遺忘的磷酸鐵鋰電池。


電池的卷土重來

在新能源乘用車領域,三元鋰電池幾乎快要「一統天下」了。根據動力電池應用分會研究部統計數據顯示,2019 年上半年三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的裝機量占比分別為 71.14% 和 26.97%,差距比 2018 年同期繼續擴大。

2018 與 2019 上半年新能源汽車動力電池裝機量 | 動力電池應用分會研究部

但這并不意味著三元鋰電池就能成為唯一選擇。如果把時間線拉長,你就會發現,在電池的技術路線當中,并沒有所謂的「贏家」。

電池技術在一定程度上是引領著電動汽車發展的。19 世紀末期,電動汽車得到了快速發展。人們使用電動汽車的理由與今天別無二致:無噪音、無氣味、價格低。

19 世紀末到 20 世紀初,汽車市場甚至形成了「三分天下」的局面:蒸汽、電動和內燃機。不過隨著內燃機發展速度最快,其余兩個最終黯然退出汽車市場。

由于大氣環境污染,和電池技術的崛起,電動汽車重新被人們關注。早期的電動汽車市場呈現的是「百家爭鳴」狀態,各類電池技術都搭載上車。

1990 年,通用汽車在洛杉磯車展上首次展示了 Impact 電動概念汽車,行業影響巨大。隨后通用以 Impact 的核心技術和設計為原型開發出純電動轎車 EV1,被視為現代電動汽車開山之作。

通用汽車 Impact 電動概念汽車 | Wikipedia

隨之而來的是各大汽車廠商投入大量資源開發電動汽車,唯一的不同點在于,車輛內部的電池都不統一。EV1 內部搭載的是鉛酸電池,1992 年福特推出搭載鈣硫電池的 Ecostar,1996 年豐田使用鎳氫電池的混合動力車輛 RAV4LEV,1997 年豐田下線了混合動力轎車普銳斯 Prius(同樣搭載鎳氫電池),日產汽車也在同年推出世界上第一輛鋰離子電池的電動車 Prairie Joy EV……

商業化速度是檢驗技術發展最重要的因素之一。自 1992 年索尼將鋰離子電池商業化之后,正好碰上電信、信息市場的發展,因為體積比能量和質量比能量最高,鋰離子電池在商業化進展方面成為了電動汽車的最佳選擇。其中,最有代表性的,就是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。


技術路線之爭

在鋰離子電池興起之后,能用作新能源汽車上的動力電池,目前也只有三種類型可以勝任:磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈦酸鋰電池。其中最后一種因為普及數量太少,暫時不在討論范圍內。

磷酸鐵鋰電池使用磷酸鐵鋰作為正極材料,而三元鋰電池的正極材料使用的是鎳鈷錳酸鋰,負極材料為石墨。關于兩者分別的優缺點,這里簡單列舉幾個要點:

成本方面,磷酸鐵鋰電池的成本比三元鋰電池低很多。前者的特點是不含貴重金屬元素,因此原材料成本相對可以壓縮到很低;而三元鋰電池中鈷元素屬于貴重金屬元素,并且鈷的價格在快速上漲,隨著 5G 等新興事物興起,鈷的供需缺口會進一步擴大。

能量密度方面,磷酸鐵鋰電池遠不如三元鋰電池。僅算磷酸鐵鋰電池的重量能量密度只有 120Wh/kg,如果計算整個電堆,包括電池管理系統、散熱等零部件的能量密度就變得更低;三元鋰電池的能量密度則能達到 200Wh/kg。

         特斯拉采用的電芯是松下的 18650 電池 | 視覺中國

安全性方面,磷酸鐵鋰電池更勝一籌。磷酸鐵鋰的化學性質穩定,高溫穩定性好,700°C-800°C 才會發生分解,且在面對撞擊、針刺、短路等情況時不會產生劇烈的燃燒,安全性能高;反觀三元鋰電池,250-300℃就會發生分解,遇到電池中可燃的電解液、碳材料后會發生燃燒,產生的熱量進一步加劇正極分解,在極短的時間內就會爆燃。

近年發生的新能源車輛自燃情況,大多都是三元鋰電池引起的。沒有發生較大事故的原因在于車輛的電池管理系統做的相對較好,對于搭載三元鋰電池的車輛來說,電池管理系統和散熱系統設計都是至關重要的。

基于安全性的考慮,搭載三元鋰電池的新能源客車無法進入工信部的新能源車目錄,但中國對于新能源車輛的政策同時對能量密度有嚴格規定,三元鋰電池還是成為了新能源乘用車的主流選擇。

使用壽命上,磷酸鐵鋰電池在循環使用率上比三元鋰電池更有優勢,但磷酸鐵鋰電池的低溫性能較差,這是它的「致命傷」。有研究表明,低溫條件下(氣溫低于-10℃以下),磷酸鋰電池經過不到 100 次充放電循環,電池容量將下降到初始容量的 20%。三元鋰電池的低溫性能優異,在-30℃條件下可保持正常電池容量,在中國北方低溫地區,顯然磷酸鐵鋰無法達到使用標準。

綜上,三元鋰電池依靠高能量密度成功「上位」,而能量密度的直接表現是高續航里程,可以看到,當下的幾款電動汽車續航里程已經突破了 700km,這正是車企和消費者們的痛點,因而三元鋰電池成為電動車企的主流選擇。而磷酸鐵鋰電池暫時偃旗息鼓,因安全性高成為了新能源客車的首選。

但當我們詳細分析兩種電池的優劣,就會發現,如果磷酸鐵鋰電池的能量密度增加,目前三元鋰電池的市場恐怕會受到不小的沖擊。這也是刀片電池引起廣泛討論的重要原因。


刀片電池能否「突圍」?

據比亞迪方面表示,刀片電池體積能量密度與主流三元鋰電池持平,在相同體積下所儲存的電量也相差無幾。

如文章開頭所說,刀片電池相比傳統電池包省去了模組的步驟,采用了 CTP(Cell to Pack,無模組動力電池包)設計思路,將電芯直接裝到電池包殼體內。這種設計能夠在保持電池包強度的前提下,省去橫梁、縱梁以及螺栓等附件,提升電池包內部空間利用率,實現電池包總容量和能量密度的提升。

據悉,比亞迪通過 CTP 設計把電池包殼體內部的空間利用率由傳統設計方式的 40-50% 提升至 60-80%。電池包總容量的提升直接導致的結果是電動汽車的續航明顯提升。刀片電池最先搭載的比亞迪「漢」車型,續航里程達到了 605km,基本達到了與搭載三元鋰電池車型持平的水準。

但在安全性上,刀片電池的表現要優秀很多。

比亞迪電池實驗室針對磷酸鐵鋰電池、刀片電池和三元鋰電池進行了一次針刺實驗,即利用鋼針刺穿電池極板,瞬間觸發電池內部短路,從而引發電池熱失控。

針刺實驗是業界公認在所有電池安全測試中最嚴酷、可以模擬極端情況電池內短路狀況。在大眾消費數碼產品如手機、筆記本電腦的電池上是必測項目,在新能源汽車上不被作為強制標準執行。

根據三種電池樣品針刺實驗視頻來看,NCM622(正極材料中的鎳鈷錳三種成分的比例為 6:2:2)三元鋰電池在被針刺穿的一瞬間就發生了爆燃,相比之下,磷酸鐵鋰電池的安全性要稍微好一點,在被針刺穿的瞬間,磷酸鐵鋰并沒有發生起火燃燒的現象,但是電池表面的溫度卻高達五六百攝氏度。

刀片電池在被刺穿的時候,并沒有異常表現,結構依舊穩定。溫度傳感器顯示,電池表面的溫度只有 60 攝氏度,安全通過針刺實驗。

         三種電池針刺實驗對照測試結果 | 比亞迪電池實驗室

電池安全的確是消費者們最關注的問題之一,刀片電池的解決方案加強了這一點,也讓磷酸鐵鋰電池掌握了一些話語權。另外據了解,特斯拉與寧德時代正在進行談判,在中國生產的特斯拉汽車中將使用后者生產的無鈷電池,大概率就是磷酸鐵鋰電池。

特斯拉 CEO 馬斯克在 2018 年 6 月曾稱,致力于減少鈷的用量,當時特斯拉采用電池的鈷元素用量為 3% 左右,在下一代車型中,將鈷元素徹底在原料清單中除掉。

磷酸鐵鋰電池能否超越三元鋰電池,再次成為車用動力電池的主流?結果還未出現前,誰也說不好。但是在電池領域的創新,開發一款性價比高的電池,的確是所有企業當下的重點目標。

刀片電池開了一個頭,在車用動力電池創新走向瓶頸期,續航里程向上「爬升」的速度越來越慢,刀片電池回過頭來把快要被人遺忘的電池種類搬上舞臺。如果之后得到廣泛應用,也許會在動力電池的十字路口中,讓主流車企獲得另一種選擇。


責任編輯:宋德勝

題圖來源:視覺中國

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