在2021年，如果你想去買(mǎi)一臺(tái)電動(dòng)車(chē)，那么你一定會(huì)問(wèn)到關(guān)于這臺(tái)車(chē)電池的問(wèn)題，作為目前新能源汽車(chē)中最成熟、商業(yè)應(yīng)用最廣的化學(xué)能源，它關(guān)乎了續(xù)航、安全、性能、車(chē)價(jià)種種最重要的購(gòu)車(chē)因素。??

如果你再深入地去做一些了解，你還會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)現(xiàn)在的鋰電池，有用磷酸鐵鋰電池的，也有用三元鋰電池的。

所謂磷酸鐵鋰和三元鋰，指的是鋰電池使用的正極材料，不同的正極材料，也決定了他們迥然不同的特性。

磷酸鐵鋰電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、充放電循環(huán)壽命較長(zhǎng)，材料成本便宜，但同時(shí)也存在能量密度低，充放電效率低，低溫表現(xiàn)不佳的問(wèn)題。相應(yīng)的，三元的能量密度高、充放電效率高，同時(shí)TA也有不耐高溫的特性。

從需求角度來(lái)看，磷酸鐵鋰比較適合空間大，有條件裝大體積電池，要求安全性能高，需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)景，比如商用公交車(chē)、儲(chǔ)能電站這種。而三元鋰電池則適合空間有限，需要高能量密度實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航的中高端乘用車(chē)。

在過(guò)去的五年時(shí)間里，我們靠著三元鋰電池的發(fā)展以及充電配套設(shè)施的搭建，極大地緩解了用戶的續(xù)航焦慮，在續(xù)航這個(gè)剛需解決以后，安全的問(wèn)題也被再一次推到了臺(tái)面之上。而其中最?yuàn)Z目的測(cè)試，當(dāng)屬“不服來(lái)扎一下”的針刺試驗(yàn)，今天我們?cè)俅蝸?lái)聊聊這個(gè)問(wèn)題。

只有三家車(chē)企的

動(dòng)力電池通過(guò)了針刺試驗(yàn)

目前從車(chē)企維度來(lái)看，只有三家企業(yè)的電池通過(guò)了公開(kāi)的針刺試驗(yàn)，分別是比亞迪的刀片電池、廣汽埃安的“彈匣電池”以及極氪的極芯電池，比亞迪的刀片電池是基于磷酸鐵鋰正極打造，通過(guò)了單體電芯的針刺試驗(yàn)。廣汽埃安和極氪的則是使用的三元鋰電芯，通過(guò)了整包針刺的試驗(yàn)。

從最新的極氪的極芯電池包的針刺試驗(yàn)視頻里能夠看出：在鋼針刺入電池包觸發(fā)熱失控后，“極芯”電池包BMS及時(shí)觸發(fā)熱事件報(bào)警信號(hào)。

同時(shí)，被刺的“極芯”電池包出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，被刺電芯最高溫度達(dá)到801.4℃，未起火、未爆炸。靜置24小時(shí)，單體電壓降至0V，溫度降為室溫，熱疏隔阻排設(shè)計(jì)、整包結(jié)構(gòu)完好，無(wú)明顯變形，電池外殼不帶電，電池包內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)和高壓連接完好，無(wú)熱蔓延，也是目前針刺熱失控試驗(yàn)中表現(xiàn)最優(yōu)的三元鋰電池包。

針刺試驗(yàn)怎么做？

根據(jù)GB 38031-2020 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力蓄電池安全要求中，推薦觸發(fā)熱失控的針刺試驗(yàn)方法來(lái)看，該試驗(yàn)是通過(guò)使用直徑3-8mm，針尖圓錐角度20-60°的耐高溫鋼針，以每秒0.1-10mm左右的速度，選擇能觸發(fā)電池單體引發(fā)熱失控的位置和方向，穿透電池包最終刺穿單體電芯，不起火不爆炸，并且提供預(yù)警信號(hào)才算通過(guò)試驗(yàn)。那為什么針刺以后電池會(huì)起火呢？

• 針刺實(shí)驗(yàn)誘發(fā)強(qiáng)制內(nèi)短路
  

從電芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，我們現(xiàn)在電動(dòng)車(chē)上的每一節(jié)電芯，都是有正負(fù)極和隔膜緊緊貼合在一起，通過(guò)卷繞或者疊片的方式放入電池外殼之中。

在針刺試驗(yàn)中，鋼針刺入電池，每一層的正負(fù)極和隔膜會(huì)被逐一刺穿，此時(shí)電池內(nèi)部正負(fù)極連通發(fā)生短路，短路位置迅速放熱，隨著溫度的上升，隔膜還會(huì)坍縮融化，引發(fā)更大面積的短路。

隨后溫度繼續(xù)升高，正負(fù)極分解，電解液沸騰，內(nèi)部氣壓升高，電池爆開(kāi)電解液噴出，當(dāng)遇到氧氣的時(shí)候沸騰的電解液直接開(kāi)始燃燒，火星四射。

• 三元鋰電池受熱釋氧反應(yīng)劇烈

目前對(duì)于國(guó)內(nèi)純電乘用車(chē)使用最多的三元鋰電池而言，能通過(guò)針刺試驗(yàn)其實(shí)是非常難的，其中很關(guān)鍵的要素就是三元鋰電池在發(fā)生強(qiáng)制內(nèi)短路的時(shí)候，額外的副反應(yīng)會(huì)比磷酸鐵鋰要多非常多。

同時(shí)正極受熱分解時(shí)還會(huì)釋放氧氣加速反應(yīng)的進(jìn)行，通過(guò)針刺試驗(yàn)不起火對(duì)所有廠家都是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。對(duì)于整包針刺試驗(yàn)來(lái)看，如果才能做到不起火，核心問(wèn)題是要電解液不能起火。

如何做到針刺不起火？

我們從極氪的極芯電池包的設(shè)計(jì)里面也能看到三個(gè)關(guān)鍵要素：

首先是及時(shí)切斷電源，當(dāng)電池包中某個(gè)電芯發(fā)生熱失控，此時(shí)如果還在繼續(xù)放電，很容易誘發(fā)連鎖反應(yīng)，同時(shí)還存在漏電的風(fēng)險(xiǎn)。極氪的做法是電池包中會(huì)設(shè)置一個(gè)保險(xiǎn)盒，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到熱失控的時(shí)候，保險(xiǎn)盒里面的電阻絲會(huì)發(fā)熱點(diǎn)燃火藥撞擊器，彈出頂動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的斷電。

第二個(gè)，也是整包針刺相較于單體電芯針刺最不同的地方，那就是防止熱蔓延的發(fā)生。

當(dāng)電芯被刺穿以后，自身產(chǎn)生的熱量會(huì)自發(fā)地向相鄰的電芯蔓延，導(dǎo)致相鄰電芯也發(fā)生副反應(yīng)，甚至發(fā)生內(nèi)短路，這些副反應(yīng)形成大量熱，最終會(huì)讓整個(gè)電池包溫度不斷提升，造成整個(gè)電池包的熱失控。

因此想要切斷熱蔓延，首先就是在電芯之間設(shè)置阻燃材料和隔熱材料，減少電芯內(nèi)部的熱量向相鄰電芯傳導(dǎo)。極芯的電池包就是在電芯與電芯、模組跟模組之間，應(yīng)用了超低導(dǎo)熱系數(shù)的熱阻隔材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)阻斷設(shè)計(jì)，形成了防火墻。

同時(shí)從針刺試驗(yàn)全程的溫度變化也能看出，整個(gè)電池包系統(tǒng)的隔熱也是非常好的。同樣得益于超低導(dǎo)熱系數(shù)的熱阻隔材料和耐高溫的上蓋，當(dāng)內(nèi)部電芯溫度最高達(dá)到801.4℃，而上蓋板的最高溫度只有128.5℃。一方面杜絕了高溫融化上蓋傷及乘員艙的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也降低了電芯上方高壓銅排受熱短路的風(fēng)險(xiǎn)。

第三，只設(shè)置防火墻熱量還是會(huì)聚集，要避免熱失控，更為關(guān)鍵的是要做好散熱。此時(shí)對(duì)于整個(gè)電池包來(lái)說(shuō)，需要做到的關(guān)鍵要素，一個(gè)是迅速降溫，另一個(gè)則是及時(shí)排熱。

在極芯的電池包里面，有根據(jù)電池包氣體流向精確設(shè)置的煙道，當(dāng)被針刺的電芯發(fā)生熱失控時(shí)，電芯會(huì)發(fā)熱產(chǎn)生大量煙氣，這些氣體會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的煙道，通過(guò)泄壓閥排出電池包外部。

同時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到熱失控以后，鋪在電池底部的水冷散熱系統(tǒng)，也會(huì)開(kāi)啟水循環(huán)對(duì)電池進(jìn)行降溫，中和產(chǎn)生的熱量。

?除了從工程角度去做的多項(xiàng)努力之外，對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，保證用車(chē)安全更重要是“防微杜漸”。電池包也需要一個(gè)好的“班主任”來(lái)進(jìn)行管理，才能更加健康、安全的充放電使用。這個(gè)班主任就是極芯電池包的BMS系統(tǒng)。

在這套系統(tǒng)中，除了引入傳統(tǒng)的電壓、電流的物理模型和AI大數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)控電芯的容量、壽命之外，同時(shí)還構(gòu)建了電池?zé)崾Э氐念A(yù)警模型，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控每節(jié)電芯的電壓、放電電流以及溫度等數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電芯有數(shù)據(jù)異常，特征傳感器就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，并且通過(guò)氛圍燈、中控、手機(jī)等多種方式提醒用戶，預(yù)留出足夠的逃生時(shí)間。

整車(chē)安全才是最關(guān)鍵的

從這次極氪三元鋰針刺的試驗(yàn)里我們能夠看出，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三元鋰電池?zé)o論是電化學(xué)體系的創(chuàng)新還是結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新，都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有到盡頭。

同時(shí)作為消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，我們應(yīng)該知道的是：近年來(lái)發(fā)生的事故，絕大多數(shù)是在車(chē)輛正常的行駛、充電和停放中發(fā)生的起火事故。所以如果考慮安全性，還是要從整車(chē)角度去考慮。電動(dòng)車(chē)的安全性，并非一個(gè)電池包所應(yīng)承擔(dān)，更不是單個(gè)單芯就可以下定義的。

就比方說(shuō)對(duì)于乘員和電池包威脅最大的側(cè)面碰撞，目前C-NCAP和E-NCAP的側(cè)面柱碰，只規(guī)定了在 6號(hào)位置進(jìn)行試驗(yàn)，而極氪001驗(yàn)證了電池包區(qū)域幾乎所有15個(gè)位置的柱碰性能。

即便是同樣的電芯，不同的電池包設(shè)計(jì)跟布局，展現(xiàn)出的整體差異化也是巨大的。極氪的極芯電池包甚至還專(zhuān)門(mén)針對(duì)電車(chē)怕托底，對(duì)電池包的底板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加固，在24km/h傾斜10%沖擊、50km/h與電池包底部重疊30mm高速?zèng)_擊兩種狀態(tài)下，都能安全通過(guò)保證內(nèi)部電芯不受傷害。

?

雖然現(xiàn)在提到新能源汽車(chē)，腦中會(huì)蹦出很多互聯(lián)網(wǎng)公司，但是在電動(dòng)車(chē)的安全這個(gè)命題上，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到：沒(méi)有絕對(duì)的安全，我們只能不斷努力，讓失效率不斷向0逼近。電池安全是如此，整車(chē)安全亦是如此。而這這才是一家負(fù)責(zé)任車(chē)企，應(yīng)有的安全價(jià)值觀。