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从“针刺”到“枪击”,动力电池为何这么卷?

2023/4/19 9:56:00



多年以后,面对已经彻底击败燃油车的新能源汽车行业,希望人们还能回想起一块块弱小的电池面对针刺和枪击“英勇就义”的那些遥远的下午……



上个月,广汽埃安发布了弹匣电池2.0电池安全技术,成功通过了“枪击试验”,让新能源行业的电池安全技术再次迎来突破。


从早前的“针刺”,到现在的“枪击”,不得不说:新能源行业的岁月静好,要多亏了电池们负重前行。


作为关乎汽车续航能力与安全性的关键一环,动力电池的重要性是毋庸置疑的。而我们知道,论安全性方面,三元锂电池相较于磷酸铁锂电池来说不够稳定——磷酸铁锂的电池温度处于500-600℃时,其内部化学成分才开始分解,而三元锂电池在300℃左右就开始分解。这也是行业里公认的痛点。


近年来三元锂电池在市场占有率上逐渐落于下风,这也是重要的原因之一。


但三元锂“能量密度高”的优势始终是巨大的,车企们当然不会轻易放弃,而关键就在于如何提高安全性。


埃安的“弹匣电池”系列,正是探索三元锂安全性的成果。


早在两年前,埃安就发布了初代“弹匣电池”,并通过了“针刺试验”,实现了行业内首次三元锂电池整包针刺不起火。它在技术上主要采用的是类似弹匣安全舱的设计,并因此而得名。将每个电池包的电芯都独立放置于安全舱之内,便可有效阻止热失控电芯的蔓延,即便个别电池出现意外,也无法威胁到周边的电池。


针刺试验,是国标动力电池安全试验标准里挑战性最大的一项,它要求电池在被8mm的钢针穿刺后5分钟内不起火,十分苛刻。此前比亚迪的“刀片电池”就因通过了针刺试验而以安全著称。但刀片电池是磷酸铁锂材质,相比之下,埃安的弹匣电池(1.0)是首个达成三元锂整包不起火的电池技术,因此其意义丝毫不亚于刀片电池。至今,搭载弹匣电池的车型已售出近40万辆,但依然保持着“0自燃”的纪录。


而此次的弹匣电池2.0又在初代的基础上,将安全标准进一步提高为“枪击”,直接从冷兵器时代跨越到了热兵器时代。相较于针刺试验,枪击试验对质量的考验更加严苛——当子弹穿透电芯时,它的速度可达针刺的975万倍,创口直径是针刺的7至8倍,可瞬间击穿多个电芯并造成热失控和爆裂性破坏,但弹匣电池2.0成功做到了“无起火,无爆炸”。



究其根本,在于一系列原创技术的突破。如纳米陶瓷材料打造的超稳电极界面,在热失控的情况下电芯温升速率也能降低20%;与中国航天合作开发的阻热相变材料,将隔热性能提高了40%;电芯灭火系统更是给电池配备了“自助消防功能”,一旦发生热失控,大量的灭火剂就会被瞬间精准喷淋到失控电芯上。


在这些技术的加持下,弹匣电池2.0的安全性又上了一个台阶。


如前文所述,动力电池之所以重要,是因为它关乎续航与安全。而目前两大主流电池材料——磷酸铁锂和三元锂——恰恰站在了天平的两侧:前者安全但续航能力(即能量密度)不足,后者续航给力但安全性不够。


因此,近些年我们看到的电池领域的创新,包括埃安“弹匣电池”、比亚迪“刀片电池”、长城“大禹电池”、宁德时代“麒麟电池”等,其实都是通过在结构上做文章,来分别弥补各自的短板。


如刀片电池就是将电池的物理结构进行重新设计,将电芯进行扁平化处理,通过大电芯和去模组来提高空间利用率,使能量密度达到140Wh/kg,比传统的磷酸铁锂电池增加了大约9%;长城汽车的大禹电池则是贯彻了“堵不如疏”的理念,让电芯内的高温、高压气体与火流分散,或通过专门的通道排出,避免集中在一处爆发,从而能够提高三元锂电池的安全性;宁德时代去年推出的CTP3.0技术麒麟电池更是将系统集成度推向了全新的高度,体积利用率超72%,能量密度达255Wh/kg。


其实,刀片电池与麒麟电池都属于CTP(即Cell to Pack)方案,即跳过模组环节,直接将电芯集成在电池包上。在它之后还有更加终极结构设计方案——CTC技术(Cell to Chassis),即将电池与底盘进行“融合”,电池成为了车身结构的一部分,从而实现更高程度的集成化。目前,特斯拉、零跑、比亚迪、宁德时代等厂商在这一领域均已有布局。


总而言之,面对互有优劣的磷酸铁锂和三元锂,提高它们的安全性和空间利用率,是眼下电池行业的努力方向。


显然,以上这些,都是在电池材料技术发展没有突破的前提下的一种“无奈之举”。就像《三体》中基础科学被锁死的地球一样,纵然在技术的应用方面可以继续前进一段,但迟早都会撞上天花板。


显然,动力电池的未来创新,必然要从电池结构创新逐步发展到材料体系的创新。在电池材料上取得突破,是整个电动汽车行业翘首以盼的事。而固态电池或许就是承载着人们期盼的那位“救世主”。


从电解质的物理状态来看,目前的磷酸铁锂和三元锂都属于液态电池,通过正负极与电解液发生反应从而释放电能。相比之下,固态电池则是以固体电解质代替了液体电解质,而固态材料不可燃、不漏液,无论是安全性还是能量密度都有了大大提高,因此被很多人视作下一代电池技术。就像理想CEO李想说的:“磷酸铁锂属于大巴,三元锂电属于乘用车,固态电池属于未来”。


目前,国外的丰田、大众、宝马等企业,都已经在固态电池的研发上取得了一定进展,特别是丰田,在车规级固态电池领域拥有超过1000项专利,并表示第一辆搭载固态电池技术的丰田汽车将在2025年左右到来。国内的比亚迪、宁德时代、上汽、卫蓝新能源、清陶发展、国轩高科、赣锋锂电等厂商,也都已布局固态电池的研发。


但固态电池毕竟任重道远,无论是制造工艺、产业链的完善程度等,都有待继续打磨。中科院院士欧阳明高曾表示:“固态电池真正投入大规模商业应用的大概时间在2025年-2030年之间。”


虽然尚需几年的等待,但我们可以肯定的是:固态电池的问世一定会将新能源汽车取代燃油车的历史进程推进一大步。


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