天下苦电池久矣,刀片电池会带来改变吗?| 极客视野

摘要

新技术 + 老电池的解决方案,或许能够解决电动车的自燃问题。

天下苦电池创新久矣。

在混合动力汽车和纯电动汽车的历史中,磷酸铁锂电池一度被厂商认为是最靠谱的选择。但现在的家用新能源汽车当中,这个名词几乎无人再提及。原因是另一种技术路线逐渐占据上风,即人们现在听到最多的三元锂电池

「行业对三元锂电池过于依赖,导致消费者对新能源汽车的安全打了个一问号。」比亚迪董事长兼总裁王传福说道。

这一次,比亚迪针对车载动力电池领域的痛点,推出了「刀片电池」,在电池创新的问题上向前迈进了一步。

什么是刀片电池?一般来说,电动汽车的电池包由多个电芯组成的模组构成。如特斯拉使用的电芯,就是一个个圆柱型的 18650 电池。为了让电芯模组在车内保持稳定,需要用螺栓、横梁、纵梁等加以固定。刀片电池的不同之处在于,它省去了模组这一步骤,直接将电芯用阵列方式装进电池包内,进而提升了内部空间利用率。

         刀片电池结构图 | 比亚迪         

比结构更创新的点在于,刀片电池把人们的目光重新拉回到已经快被家用电动汽车遗忘的磷酸铁锂电池。


电池的卷土重来

在新能源乘用车领域,三元锂电池几乎快要「一统天下」了。根据动力电池应用分会研究部统计数据显示,2019 年上半年三元锂电池与磷酸铁锂电池的装机量占比分别为 71.14% 和 26.97%,差距比 2018 年同期继续扩大。

2018 与 2019 上半年新能源汽车动力电池装机量 | 动力电池应用分会研究部

但这并不意味着三元锂电池就能成为唯一选择。如果把时间线拉长,你就会发现,在电池的技术路线当中,并没有所谓的「赢家」。

电池技术在一定程度上是引领着电动汽车发展的。19 世纪末期,电动汽车得到了快速发展。人们使用电动汽车的理由与今天别无二致:无噪音、无气味、价格低。

19 世纪末到 20 世纪初,汽车市场甚至形成了「三分天下」的局面:蒸汽、电动和内燃机。不过随着内燃机发展速度最快,其余两个最终黯然退出汽车市场。

由于大气环境污染,和电池技术的崛起,电动汽车重新被人们关注。早期的电动汽车市场呈现的是「百家争鸣」状态,各类电池技术都搭载上车。

1990 年,通用汽车在洛杉矶车展上首次展示了 Impact 电动概念汽车,行业影响巨大。随后通用以 Impact 的核心技术和设计为原型开发出纯电动轿车 EV1,被视为现代电动汽车开山之作。

通用汽车 Impact 电动概念汽车 | Wikipedia

随之而来的是各大汽车厂商投入大量资源开发电动汽车,唯一的不同点在于,车辆内部的电池都不统一。EV1 内部搭载的是铅酸电池,1992 年福特推出搭载钙硫电池的 Ecostar,1996 年丰田使用镍氢电池的混合动力车辆 RAV4LEV,1997 年丰田下线了混合动力轿车普锐斯 Prius(同样搭载镍氢电池),日产汽车也在同年推出世界上第一辆锂离子电池的电动车 Prairie Joy EV……

商业化速度是检验技术发展最重要的因素之一。自 1992 年索尼将锂离子电池商业化之后,正好碰上电信、信息市场的发展,因为体积比能量和质量比能量最高,锂离子电池在商业化进展方面成为了电动汽车的最佳选择。其中,最有代表性的,就是磷酸铁锂电池和三元锂电池。


技术路线之争

在锂离子电池兴起之后,能用作新能源汽车上的动力电池,目前也只有三种类型可以胜任:磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂电池。其中最后一种因为普及数量太少,暂时不在讨论范围内。

磷酸铁锂电池使用磷酸铁锂作为正极材料,而三元锂电池的正极材料使用的是镍钴锰酸锂,负极材料为石墨。关于两者分别的优缺点,这里简单列举几个要点:

成本方面,磷酸铁锂电池的成本比三元锂电池低很多。前者的特点是不含贵重金属元素,因此原材料成本相对可以压缩到很低;而三元锂电池中钴元素属于贵重金属元素,并且钴的价格在快速上涨,随着 5G 等新兴事物兴起,钴的供需缺口会进一步扩大。

能量密度方面,磷酸铁锂电池远不如三元锂电池。仅算磷酸铁锂电池的重量能量密度只有 120Wh/kg,如果计算整个电堆,包括电池管理系统、散热等零部件的能量密度就变得更低;三元锂电池的能量密度则能达到 200Wh/kg。

         特斯拉采用的电芯是松下的 18650 电池 | 视觉中国

安全性方面,磷酸铁锂电池更胜一筹。磷酸铁锂的化学性质稳定,高温稳定性好,700°C-800°C 才会发生分解,且在面对撞击、针刺、短路等情况时不会产生剧烈的燃烧,安全性能高;反观三元锂电池,250-300℃就会发生分解,遇到电池中可燃的电解液、碳材料后会发生燃烧,产生的热量进一步加剧正极分解,在极短的时间内就会爆燃。

近年发生的新能源车辆自燃情况,大多都是三元锂电池引起的。没有发生较大事故的原因在于车辆的电池管理系统做的相对较好,对于搭载三元锂电池的车辆来说,电池管理系统和散热系统设计都是至关重要的。

基于安全性的考虑,搭载三元锂电池的新能源客车无法进入工信部的新能源车目录,但中国对于新能源车辆的政策同时对能量密度有严格规定,三元锂电池还是成为了新能源乘用车的主流选择。

使用寿命上,磷酸铁锂电池在循环使用率上比三元锂电池更有优势,但磷酸铁锂电池的低温性能较差,这是它的「致命伤」。有研究表明,低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池经过不到 100 次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的 20%。三元锂电池的低温性能优异,在-30℃条件下可保持正常电池容量,在中国北方低温地区,显然磷酸铁锂无法达到使用标准。

综上,三元锂电池依靠高能量密度成功「上位」,而能量密度的直接表现是高续航里程,可以看到,当下的几款电动汽车续航里程已经突破了 700km,这正是车企和消费者们的痛点,因而三元锂电池成为电动车企的主流选择。而磷酸铁锂电池暂时偃旗息鼓,因安全性高成为了新能源客车的首选。

但当我们详细分析两种电池的优劣,就会发现,如果磷酸铁锂电池的能量密度增加,目前三元锂电池的市场恐怕会受到不小的冲击。这也是刀片电池引起广泛讨论的重要原因。


刀片电池能否「突围」?

据比亚迪方面表示,刀片电池体积能量密度与主流三元锂电池持平,在相同体积下所储存的电量也相差无几。

如文章开头所说,刀片电池相比传统电池包省去了模组的步骤,采用了 CTP(Cell to Pack,无模组动力电池包)设计思路,将电芯直接装到电池包壳体内。这种设计能够在保持电池包强度的前提下,省去横梁、纵梁以及螺栓等附件,提升电池包内部空间利用率,实现电池包总容量和能量密度的提升。

据悉,比亚迪通过 CTP 设计把电池包壳体内部的空间利用率由传统设计方式的 40-50% 提升至 60-80%。电池包总容量的提升直接导致的结果是电动汽车的续航明显提升。刀片电池最先搭载的比亚迪「汉」车型,续航里程达到了 605km,基本达到了与搭载三元锂电池车型持平的水准。

但在安全性上,刀片电池的表现要优秀很多。

比亚迪电池实验室针对磷酸铁锂电池、刀片电池和三元锂电池进行了一次针刺实验,即利用钢针刺穿电池极板,瞬间触发电池内部短路,从而引发电池热失控。

针刺实验是业界公认在所有电池安全测试中最严酷、可以模拟极端情况电池内短路状况。在大众消费数码产品如手机、笔记本电脑的电池上是必测项目,在新能源汽车上不被作为强制标准执行。

根据三种电池样品针刺实验视频来看,NCM622(正极材料中的镍钴锰三种成分的比例为 6:2:2)三元锂电池在被针刺穿的一瞬间就发生了爆燃,相比之下,磷酸铁锂电池的安全性要稍微好一点,在被针刺穿的瞬间,磷酸铁锂并没有发生起火燃烧的现象,但是电池表面的温度却高达五六百摄氏度。

刀片电池在被刺穿的时候,并没有异常表现,结构依旧稳定。温度传感器显示,电池表面的温度只有 60 摄氏度,安全通过针刺实验。

         三种电池针刺实验对照测试结果 | 比亚迪电池实验室

电池安全的确是消费者们最关注的问题之一,刀片电池的解决方案加强了这一点,也让磷酸铁锂电池掌握了一些话语权。另外据了解,特斯拉与宁德时代正在进行谈判,在中国生产的特斯拉汽车中将使用后者生产的无钴电池,大概率就是磷酸铁锂电池。

特斯拉 CEO 马斯克在 2018 年 6 月曾称,致力于减少钴的用量,当时特斯拉采用电池的钴元素用量为 3% 左右,在下一代车型中,将钴元素彻底在原料清单中除掉。

磷酸铁锂电池能否超越三元锂电池,再次成为车用动力电池的主流?结果还未出现前,谁也说不好。但是在电池领域的创新,开发一款性价比高的电池,的确是所有企业当下的重点目标。

刀片电池开了一个头,在车用动力电池创新走向瓶颈期,续航里程向上「爬升」的速度越来越慢,刀片电池回过头来把快要被人遗忘的电池种类搬上舞台。如果之后得到广泛应用,也许会在动力电池的十字路口中,让主流车企获得另一种选择。


责任编辑:宋德胜

题图来源:视觉中国

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