刀片電池

這幾天，新能源汽車汽車媒體上、微信群里，“刀”光閃閃：比亞迪發(fā)布的刀片電池，引發(fā)重重?zé)嶙h。

討論最多的，是刀片電池在安全性和體積能量密度上的突破。能夠輕松通過(guò)針刺實(shí)驗(yàn)、將體積能量密度提升50%的表現(xiàn)，對(duì)當(dāng)前動(dòng)力電池安全性和高比能難以兩全的困局，給出了很好的解決方案。

也有很多人，試圖探究“刀片電池”利刃的另一面：這么長(zhǎng)的電芯，能否應(yīng)對(duì)不同車企的匹配需求？安全性和體積能量密度之外，其他性能如何？

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刀片電池適配性

刀片電池形如刀片，此刀，可長(zhǎng)可短。

從專利信息看，刀片電池長(zhǎng)度可以在600—2000mm之間。由于刀片電池長(zhǎng)度和電池包寬度一致，因此覆蓋了幾乎所有乘用車的電池包寬度尺寸。

刀片電池長(zhǎng)度基本和無(wú)模組的電池包寬度一致

資料來(lái)源：比亞迪專利CN201911012284

而且，從專利看，刀片電池也支持有模組的電池包，從而支持更大型的車輛。從CN201920942022專利來(lái)看，在其中一個(gè)實(shí)施例中，電池包采用了四個(gè)刀片電池形成的模組。

刀片電池成組為模組，再組成電池包的實(shí)施例

資料來(lái)源：比亞迪專利CN201920942022

靈活性有了，通用性如何？

如果都采用無(wú)模組形式，不同的電池包寬度需要不同長(zhǎng)度的刀片電池。如果比亞迪要把刀片電池賣給各個(gè)廠家，就需要做出不同長(zhǎng)度的刀片電池。

從刀片電池的專利來(lái)看，一個(gè)刀片電池內(nèi)，包含多個(gè)容納腔，每一個(gè)容納腔包含一個(gè)極芯，容納腔通過(guò)隔板隔開(kāi)?？瓷先ゾ腿缤瑤讉€(gè)電芯組成一個(gè)串聯(lián)模組。

資料來(lái)源：比亞迪專利CN201911012284

那么，合理的推測(cè)是，比亞迪完全可以通過(guò)增減容納腔的數(shù)目，來(lái)調(diào)節(jié)刀片電池長(zhǎng)度。而每一個(gè)腔體和極芯，都可以是標(biāo)準(zhǔn)化的。刀片電池如同水管，可以接長(zhǎng)一些，也可以接短一些。

這樣一來(lái)，盡管可能不同客戶需要不同長(zhǎng)度的刀片電池，但它們共用標(biāo)準(zhǔn)化的容納腔、極芯等部件，還是能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)的。

另外，比亞迪在推廣刀片電池的之前，就先將其標(biāo)準(zhǔn)化e平臺(tái)推向全行業(yè)。如果客戶采用e平臺(tái)，雖然可以有不同的電量配置，但采用的刀片電池的長(zhǎng)度一致，更有利于規(guī)?；a(chǎn)，分?jǐn)偵a(chǎn)成本。

比亞迪e平臺(tái)

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磷酸鐵鋰壽命長(zhǎng)

磷酸鐵鋰電池另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是循環(huán)壽命長(zhǎng)。刀片電池的壽命可以達(dá)到什么水平？

在2020年1月份的百人會(huì)論壇上，王傳福就提到，采用刀片電池的車輛，整車壽命可達(dá)百萬(wàn)公里以上。

比亞迪漢真的能做到百萬(wàn)公里么？

眾所周知，整車的續(xù)駛里程與電池的循環(huán)壽命和車輛續(xù)駛里程息息相關(guān)。

首先要搞清楚磷酸鐵鋰電池包現(xiàn)階段的循環(huán)壽命。

為此，《電動(dòng)汽車觀察家》特意向六七位一線電池專家咨詢了磷酸鐵鋰電池包壽命情況。綜合他們的觀察，目前中國(guó)車用磷酸鐵鋰電池包，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)壽命在3000次左右沒(méi)問(wèn)題。而實(shí)際運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，至少也可以達(dá)到2000次。

以比亞迪漢為例，NEDC續(xù)駛里程是605公里，即使按2000次循環(huán)論，其壽命也將達(dá)到120萬(wàn)公里以上。

從實(shí)際運(yùn)營(yíng)看，電池壽命確實(shí)可以做到百萬(wàn)公里以上。2010年比亞迪在深圳投放的e6電動(dòng)出租車，在2018年時(shí)就有單車行駛里程超過(guò)100萬(wàn)公里，并仍能正常運(yùn)營(yíng)的先例。

比亞迪e6出租車

如果說(shuō)在十年前的電池技術(shù)下，行駛百萬(wàn)公里是個(gè)別現(xiàn)象；那么相信如今，百萬(wàn)公里續(xù)駛里程已經(jīng)能夠成為普遍現(xiàn)象。

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低溫性能、充電倍率如何？

動(dòng)力電池的應(yīng)用，還需全面考慮其他性能，業(yè)內(nèi)人士也特別關(guān)注刀片電池的低溫性能和充電倍率。

從刀片電池的相關(guān)專利，我們大致還是能看出一些比亞迪的低溫解決方案。專利CN201920942022在論述空間利用率時(shí)提及，外圍部件會(huì)占用電池包內(nèi)部空間，包括液冷系統(tǒng)、保溫材料等。

從電動(dòng)車企的電動(dòng)汽車溫控方案歷程看，基本上都從風(fēng)冷發(fā)展到液冷。此前，騰勢(shì)電動(dòng)汽車的磷酸鐵鋰電池，電池正負(fù)極使用了包碳工藝處理，以應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境問(wèn)題。另外，比亞迪在唐EV等車型上，已經(jīng)應(yīng)用了第三代電池智能溫控管理系統(tǒng)，具備低溫加熱功能。

目前，還沒(méi)有確切資料來(lái)判定刀片電池的低溫性能，但比亞迪可以在材料改善、溫控系統(tǒng)方面加以提升。

刀片電池

在充電倍率方面，來(lái)自比亞迪的消息稱，刀片電池快充可以達(dá)到1.5C，峰值可以達(dá)到2C。以此推算，至少在0-80%階段，30-40分鐘可以完成。與一般三元電池的充電倍率一致。

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安全性能提升

話說(shuō)回來(lái)，刀片電池的刃還在安全。

（1）磷酸鐵鋰天性安全

中國(guó)動(dòng)力電池創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)王子冬曾公開(kāi)表示，動(dòng)力電池是一種含高能物質(zhì)的部件，具有危險(xiǎn)性的本質(zhì)，而且，隨著電池比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險(xiǎn)性將增大。

王子冬打了一個(gè)比方，動(dòng)力電池就像是把“火藥桶”“助燃劑”和“打火機(jī)”關(guān)在一個(gè)小屋子，然后用一層“保鮮膜”隔開(kāi)。他解釋說(shuō)，“動(dòng)力電池系統(tǒng)的易燃物是電解液，它與助燃劑氧氣（三元正極材料遇到高溫時(shí)會(huì)分解生產(chǎn)氧氣）和火源（內(nèi)短路、過(guò)充都會(huì)產(chǎn)生高溫）被密封在同一個(gè)容器環(huán)境里，因此它的安全不確定性也就顯得尤為突出?！?/p>

借用這一比喻，我們可以看到，刀片電池很好地遏制了自燃風(fēng)險(xiǎn)。

首先，磷酸鐵鋰電池的自燃溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三元電池。

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，三元電池的自燃溫度是200℃，即到達(dá)此溫度時(shí)，三元電池的材料就會(huì)開(kāi)始融化、自燃，直至引發(fā)爆炸。而磷酸鐵鋰電池的自燃溫度則是500-800℃，也就是很難“點(diǎn)著”。相當(dāng)于“打火機(jī)”被扔出了小屋子。

其次，磷酸鐵鋰電池不釋放氧氣，就沒(méi)有助燃劑。鐵離子氧化能力不強(qiáng)，磷酸鐵鋰電池在充放電時(shí)，不會(huì)放出氧氣，自然也就難以與電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這使得磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程處在一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境中。沒(méi)有了助燃劑，磷酸鐵鋰電池基本在熱失控時(shí)只會(huì)冒煙。

（2）針刺試驗(yàn)進(jìn)一步證明

為了進(jìn)一步驗(yàn)證刀片電池的安全性，比亞迪做了一項(xiàng)在國(guó)標(biāo)中已經(jīng)取消的測(cè)試——針刺測(cè)試。

所謂針刺試驗(yàn)，是將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑3—8mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀?，一小時(shí)內(nèi)不發(fā)生起火和爆炸，視為合格。目的是模擬電池的內(nèi)短路的過(guò)程，以檢測(cè)電池的安全性。

刀片電池發(fā)布會(huì)上的視頻可以看到，刀片電池的針刺試驗(yàn)結(jié)果要明顯優(yōu)于三元電池，以及傳統(tǒng)磷酸鐵鋰塊狀電池。

三元鋰電池在針刺之后，劇烈燃燒，表面溫度超過(guò)500攝氏度，電池表面的雞蛋被炸飛；磷酸鐵鋰塊狀電池針刺之后，無(wú)明火，有煙，表面溫度200-400攝氏度，電池表面的雞蛋被烤焦；而比亞迪刀片電池在針刺之后，不僅無(wú)明火，無(wú)煙，而且表面溫度只有30-60攝氏度，電池表面的雞蛋無(wú)變化。

資料來(lái)源：刀片電池發(fā)布會(huì)上的視頻

為何刀片電池能夠通過(guò)測(cè)試？

中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高解釋說(shuō)，刀片電池表現(xiàn)良好大約是兩個(gè)方面原因：一方面，刀片電池是一個(gè)長(zhǎng)條形的電池，所以它的散熱面積比較大；另外一方面，當(dāng)針刺的時(shí)候，刀片電池短路的回路比較長(zhǎng)，所以產(chǎn)熱的能力相對(duì)要下降。由于刀片電池的溫升速率比較小，因此針刺試驗(yàn)表現(xiàn)很好。

雖然在中國(guó)電池針刺試驗(yàn)已經(jīng)被取消，但在國(guó)際上，這項(xiàng)試驗(yàn)并不少見(jiàn)，例如SAE J2464、UL-2580及SAND2005-3123等標(biāo)準(zhǔn)還是有針刺測(cè)試要求的，此外，非標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)FreedomCAR等也有針刺要求。

資料來(lái)源：SAE J2464

現(xiàn)實(shí)生活中，貫穿、刺破電池造成內(nèi)短路的情況時(shí)有發(fā)生。被媒體報(bào)道出的事故就有多起，典型的例如2013年特斯拉底盤碰撞到了掉落在路面上的拖車掛鉤，正好形成一個(gè)穿刺姿勢(shì)。電池包底部被掛鉤尖銳處刺入，車輛電池短路，并著火燃燒。

（3）結(jié)構(gòu)安全再提升

電池包的安全還體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上。傳統(tǒng)電池包一般只有4-5根梁，而刀片電池是讓每一個(gè)電芯都充當(dāng)結(jié)構(gòu)件，100個(gè)電池就是100個(gè)梁，其強(qiáng)度可想而知。

比亞迪集團(tuán)副總裁兼弗迪電池董事長(zhǎng)何龍介紹電芯強(qiáng)度原理

此外，刀片電池還借鑒了非常成熟的蜂窩鋁板的結(jié)構(gòu)原理，在100個(gè)電池組成的電池堆的上下兩面上，粘貼兩塊高強(qiáng)度的強(qiáng)度板，形成了類似蜂窩鋁板的這種結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度再次升級(jí)。

蜂窩鋁板

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有效提升體積能量密度

刀片電池采用磷酸鐵鋰，安全性的優(yōu)勢(shì)并不讓人意外。但是刀片電池有效提升了體積能量密度，使得他能夠在乘用車上無(wú)顧慮的使用，堪稱革命性的提升。

隨著2019年版補(bǔ)貼政策的大幅退坡，搭載磷酸鐵鋰的乘用車明顯增多。

2019年第8批《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》（簡(jiǎn)稱《目錄》）中， 奇瑞新能源新款小螞蟻開(kāi)始出現(xiàn)磷酸鐵鋰版；第10批《目錄》，東風(fēng)小康EC36和長(zhǎng)城歐拉R1，也開(kāi)始出現(xiàn)磷酸鐵鋰版本。

不僅如此，《目錄》中磷酸鐵鋰車型總量也在增加。去年第11批《目錄》，共包含146款車型，磷酸鐵鋰電池配套87款車型，占比接近60%；第8批《目錄》中，磷酸鐵鋰占比更是高達(dá)69%。而這一數(shù)據(jù)在去年年初的第1批《目錄》中，僅為45%。

但是，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，由于能量密度的限制，磷酸鐵鋰適合的續(xù)駛里程多為300公里左右，很難做出更長(zhǎng)里程的車型。

不過(guò)，刀片電池將磷酸鐵鋰的續(xù)駛里程推到了600公里。

資料來(lái)源：新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄（2020 年 第 2 批）

這是由于刀片電池優(yōu)化了電池包的利用率。

發(fā)布會(huì)上，比亞迪集團(tuán)副總裁兼弗迪電池董事長(zhǎng)何龍對(duì)此進(jìn)行了一個(gè)形象的比喻，電池包相當(dāng)于一個(gè)房子，房子中的梁和柱多了，可利用的空間就小了。

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)電池包中有一般有4—5根梁，電池模組里面電池的空間利用率只有80%，其他都是模組的結(jié)構(gòu)件，例如端板和側(cè)板等結(jié)構(gòu)。電池模組在電池包里邊的利用率僅為50%；電池到模組的空間利率80%，由此可以算出，電芯在電池包的占比僅為40%。

但是，如果比亞迪將電芯拉長(zhǎng)，并固定在電池包的邊框上，這樣電芯既是能量體，同時(shí)電芯殼體又可以作為電池包的結(jié)構(gòu)梁，這樣固定和強(qiáng)度的問(wèn)題都得以解決。同時(shí)，電池包的空間利用率提升了50%，可以達(dá)到60%以上。

資料來(lái)源：比亞迪刀片電池發(fā)布會(huì)

也就是說(shuō)在同等體積下，比亞迪的電池包可以裝更多的電芯，車輛的續(xù)駛里程便可以得到大幅提升。

刀片電池從被外界所知起，就引發(fā)了持續(xù)關(guān)注。刀片電池突出的優(yōu)勢(shì)，讓安全與高能這對(duì)死敵得以和解，引領(lǐng)了全球動(dòng)力電池安全新高度。而在可規(guī)模化生產(chǎn)、壽命、低溫性能、充電倍率方面，刀片電池也將逐步褪去面紗，讓我們更加全面考察刀片電池各項(xiàng)性能，從而對(duì)刀片電池前景得到更加確定的答案。（完）

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