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比亞迪刀片電池針刺實(shí)驗(yàn)詳解

電動知家 2020-03-30 11:00:37

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1、試驗(yàn)樣品和針刺試驗(yàn)介紹

即將應(yīng)用在比亞迪漢車型上的刀片型磷酸鐵鋰電池（下稱“刀片電池”），通過無模組電池成組方式，提升了電池包的整體能量密度，進(jìn)一步延長了車輛續(xù)航里程，在續(xù)航里程上追近了采用三元鋰離子電池的主流車型。加上目前基于磷酸鐵鋰電池的刀片電池在安全性和抗容量衰減特性上相比三元鋰離子電池更有優(yōu)勢，使其重新獲得乘用車消費(fèi)者的關(guān)注。最近比亞迪電池實(shí)驗(yàn)室對刀片電池進(jìn)行了嚴(yán)酷的針刺試驗(yàn)，作為對比，現(xiàn)場也對普通磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池樣品進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)。下面就讓我們來看看這三種電池被鋼針刺穿后會發(fā)生什么？

熱失控與針刺試驗(yàn)

雖然美國國家公路交通安全管理局研究認(rèn)為，電動汽車起火概率要低于柴油和汽油發(fā)動機(jī)車輛，我國消防應(yīng)急管理部門也表達(dá)了類似觀點(diǎn)，但每每出現(xiàn)純電動車自燃的新聞時(shí)卻總是能博取到人們的關(guān)注。根據(jù)新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，去年5月以來出現(xiàn)事故的車輛，以2018年生產(chǎn)的車為主。其中，事故車輛86%為三元鋰離子電池，7%為磷酸鐵鋰電池，7%不確定。而與電池相關(guān)的自燃事故大多與電芯熱失控密切相關(guān)。

那么什么是熱失控呢？電池的熱失控是指電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量熱量在電池內(nèi)部積累導(dǎo)致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸。

最新的強(qiáng)制性國標(biāo)相較于2015版本有明顯的變化，除了對2015版國標(biāo)的已有項(xiàng)目進(jìn)行修訂外，還取消了模組級別安全試驗(yàn)、電芯針刺試驗(yàn)、電芯跌落試驗(yàn)、電芯低氣壓試驗(yàn)、電芯海水浸泡試驗(yàn)、電池包跌落試驗(yàn)以及電池包翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，增加了電池包的熱擴(kuò)散試驗(yàn)和過流保護(hù)試驗(yàn)。在執(zhí)行層面，由于新國標(biāo)尚未正式推行，目前企業(yè)可以選擇性執(zhí)行新國標(biāo)規(guī)定的過充和熱擴(kuò)散試驗(yàn)，2015版國標(biāo)強(qiáng)制要求的針刺試驗(yàn)現(xiàn)在也作為可選項(xiàng)目由企業(yè)選擇性執(zhí)行。

試驗(yàn)樣品有哪些？

此次針刺試驗(yàn)除了有比亞迪最新的刀片電池外，作為對比，我們也找來普通磷酸鐵鋰電池、NCM622三元鋰離子電池（正極材料中的鎳鈷錳三種成分的比例為6:2:2）進(jìn)行試驗(yàn)。我們要看看這三種電池在嚴(yán)酷的針刺試驗(yàn)下，都有怎樣的表現(xiàn)。

此次針刺試驗(yàn)的電池樣品都是比亞迪生產(chǎn)的車用動力電池電芯，電芯單體容量都在100Ah以上。從上圖可以看出，普通磷酸鐵鋰電池和NCM622三元鋰離子電池在外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒有太大的區(qū)別；刀片電池則與上述兩者區(qū)別明顯，其正負(fù)極分別布置在電池長度方向的兩端。

刀片電池是什么黑科技？

既然今天針刺試驗(yàn)的主角是刀片電池，首先我們就要對它有個(gè)大致的了解，到底比亞迪的刀片電池是一樣怎么樣的東西？它在技術(shù)上有怎樣的先進(jìn)性呢？下面我就來給大家科普一下。

根據(jù)此前公布的消息，漢純電動版車型將會搭載重量為549kg、容量為77kWh的電池包。按照刀片電池單體參數(shù)來簡單推算一下，該電池包內(nèi)將集成超過200個(gè)刀片電池單體。

比亞迪通過CTP設(shè)計(jì)把電池包殼體內(nèi)部的空間利用率由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的40-50%提升至60-80%。設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代帶來的直接好處就是在采用原有磷酸鐵鋰電池技術(shù)的前提下較大地提升純電動車的續(xù)航里程。上面對刀片電池進(jìn)行了簡單的科普，更詳細(xì)的技術(shù)解析可參看下面這篇文章的相關(guān)介紹。

針刺實(shí)驗(yàn)是怎么做的？

按照GB/T 31485-2015的針刺試驗(yàn)方法，將電池充滿電，用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針（此次試驗(yàn)采用5mm直徑的鋼針），以（25±5）mm/s的速度，從垂直于電池極板的方向貫穿，貫穿位置宜靠近所刺面的幾何中心，鋼針停留在電池中，觀察1小時(shí)，不起火、不爆炸才算合格。

單個(gè)電池?zé)崾Э貢r(shí)，其外殼溫度越高，電池間的熱擴(kuò)散會越迅速，這意味著臨近的電池也會更快地升溫而相繼觸發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池包的安全系數(shù)下降。實(shí)驗(yàn)中的雞蛋如果很快地被煎熟，說明電池在受到針刺時(shí)出現(xiàn)明顯的熱失控導(dǎo)致電池溫度急劇上升。

2、試驗(yàn)結(jié)果解析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果到底咋樣？

此次針刺試驗(yàn)是在比亞迪的電池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的，由于實(shí)驗(yàn)室保密和安全原因，我們不能拍攝電池針刺的過程，所以通過官方采用實(shí)驗(yàn)室專用的監(jiān)控?cái)z像頭拍攝的視頻進(jìn)行講解。

三元鋰離子電池

首先，我們要做的是NCM622三元鋰離子電池的針刺試驗(yàn)，這相信也是各位觀眾老爺們最為關(guān)心的環(huán)節(jié)，因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)很大一部分純電動車采用的就是三元鋰離子電池。對三元鋰離子電池有一定了解的朋友應(yīng)該會知道，車用的三元鋰離子電池是比較難通過針刺試驗(yàn)的，只要針刺觸發(fā)了內(nèi)部短路，電池便會馬上發(fā)生熱失控，下面我們用試驗(yàn)來看看三元鋰離子電池在針刺試驗(yàn)中究竟會有怎樣的反應(yīng)？

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們可以了解到，當(dāng)鋼針刺穿電池導(dǎo)致三元鋰離子電池內(nèi)部短路后，極高的升溫速率會使三元正極材料快速達(dá)到200攝氏度左右的分解溫度，三元正極材料高速分解產(chǎn)生大量的游離態(tài)氧，這些游離態(tài)氧會進(jìn)一步增加各種化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱量，提高電池內(nèi)部升溫速率，同時(shí)也使電池內(nèi)部壓力迅速上升。迅速攀升的電池內(nèi)部壓力很快推開了泄壓閥，內(nèi)部高壓電解液噴薄而出，外部空氣此時(shí)進(jìn)入到電池內(nèi)部，新鮮的空氣+極高的溫度+殘留在電池內(nèi)部的可燃電解液，爆炸起火便一觸即發(fā)。

普通磷酸鐵鋰電池

接下來我們換普通磷酸鐵鋰電池上場。鋼針從電池中央穿透其內(nèi)部極板。在鋼針穿透電池后，電池電壓開始下降，電池外殼有一定程度的鼓脹，顯示內(nèi)部短路導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力迅速上升，隨后泄壓閥打開，電池內(nèi)部高壓電解液噴出，之后電壓迅速下降的同時(shí)，電池外殼溫度迅速攀升，最高達(dá)到239攝氏度。隨著電池內(nèi)容物通過泄壓閥悉數(shù)噴出，電池外殼溫度開始慢慢回落直至觀察期結(jié)束。打在穿孔位置附近的雞蛋已被高溫殼體煎熟了，表明試驗(yàn)過程中電池外殼溫度較高。

磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)之所以沒有三元鋰離子電池劇烈，主要是因?yàn)槠湔龢O材料分解溫度在500攝氏度以上，熱失控溫度相比三元鋰離子電池更高，其熱失控風(fēng)險(xiǎn)相對較低。此外，磷酸鐵鋰電池正極分解（觸發(fā)熱失控的一個(gè)主因）時(shí)產(chǎn)生的氧氣量較少，限制了電池內(nèi)部壓力增加（限制了電池外殼鼓漲）及溫度升高，這一方面能夠避免電池內(nèi)部壓力過大發(fā)生爆炸，另一方面也一定程度地限制了易燃電解液發(fā)生燃燒的可能性。磷酸鐵鋰在熱失控測試中，其升溫速率相比三元鋰離子電池要低得多，這也是其安全系數(shù)較高的重要特性之一。

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們可以看出，利用針刺來觸發(fā)普通磷酸鐵鋰電池內(nèi)部短路會導(dǎo)致其發(fā)生熱失控。普通磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾髸?dǎo)致電池內(nèi)部溫度和壓力迅速上升，導(dǎo)致電池外殼產(chǎn)生一定程度鼓脹并觸發(fā)泄壓閥打開（泄壓閥開啟時(shí)伴隨著一定的聲響，但這并非爆炸）。雖然視頻的效果看上去很驚險(xiǎn)，但在整個(gè)試驗(yàn)過程中，電池沒有發(fā)生起火和爆炸，安全性還是值得肯定的。值得一提的是，泄壓閥是一種熱失控保護(hù)措施，它在本次試驗(yàn)中熱失控發(fā)生時(shí)適時(shí)打開，證明這種措施是行之有效的。

刀片電池

我們最后測試的是刀片電池。鋼針從刀片電池中央穿透其極板后，電池電壓下降和表面溫度上升都非常輕微，穿刺位置沒有火花、煙霧或電解液噴出，電池殼體也沒有出現(xiàn)鼓脹。穿刺后的一小時(shí)內(nèi)，被穿刺刀片電池的電壓和表面溫度都非常穩(wěn)定，打在穿孔位置附近的雞蛋沒有任何要被煎熟的趨勢。

看到這里，可能有些買了搭載三元鋰離子電池純電動車的朋友開始坐不住了，是不是要換一臺搭載磷酸鐵鋰電池的車型更安全呢？且慢，上述試驗(yàn)是電池單體的零部件安全試驗(yàn)，雖然三元鋰離子電池單體安全系數(shù)較低，但通過電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及電池管理系統(tǒng)的嚴(yán)格監(jiān)控，是能夠提升該類型電池在電池包級別的安全系數(shù)的，請各位繼續(xù)往下看。

如何保證搭載三元鋰離子電池車輛的使用安全

從車輛使用安全的角度出發(fā)，新國標(biāo)新增了熱擴(kuò)散試驗(yàn)，要求電池包或電池單體發(fā)生熱失控引起熱擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5分鐘，為乘員提供一個(gè)預(yù)先警告信號，提醒乘員疏散。熱擴(kuò)散試驗(yàn)的目的就是為了提升電動車在使用層面的安全性，保證使用者的人身安全。

有朋友會問，都熱失控了才報(bào)警，這還來得及嗎？要回答這個(gè)問題，我們就要先來了解一下電池包的結(jié)構(gòu)。電動車電池包內(nèi)部是有數(shù)十到數(shù)千個(gè)不等的電池單體組成的，其中一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控一般是不會立即觸發(fā)臨近電池單體的熱失控。所以電池包要真的燃燒起來，達(dá)到損害人身安全的程度，其實(shí)是有一個(gè)過程的。三元鋰離子電池雖然熱失控安全系數(shù)相對較低，但是通過電池單體泄壓閥設(shè)計(jì)，在電池單體間增加隔熱絕緣材料是能夠有效阻止熱擴(kuò)散，可減慢或者避免其他電池單體發(fā)生熱失控，延長乘員逃生時(shí)間的。

由于針刺并非常規(guī)的電池失效模式，電動車在日常使用中，其電池包或電池單體極難遇到被針刺的情況。而在嚴(yán)重碰撞事故中導(dǎo)致電池單體變形從而引發(fā)熱失控則是較為常見的失效模式，通過加強(qiáng)電池包及周邊保護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，能夠較好地避免電池單體因受壓變形而觸發(fā)熱失控。

總而言之，搭載在目前量產(chǎn)車型上的三元鋰離子電池雖然其單體安全系數(shù)較低，但通過電池包和電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是能夠提升這種電池技術(shù)在使用層面上的安全性的，目前國標(biāo)的基礎(chǔ)要求還是比較嚴(yán)格的，所以消費(fèi)者無需談三元鋰離子電池色變。

就目前國內(nèi)的技術(shù)水平來看，安全指標(biāo)一定程度限制了三元鋰離子電池包整體能量密度的進(jìn)一步提升，而較低的單體能量密度則限制著磷酸鐵鋰電池或刀片電池包整體能量密度的提升。相比起來，磷酸鐵鋰電池或刀片電池包在未來幾年通過電池技術(shù)優(yōu)化以及采用無模組電池包設(shè)計(jì)優(yōu)化，電池包整體能量密度的提升空間較大，或能追平受到安全指標(biāo)制約的三元鋰離子電池包。

編輯總結(jié)：

三元鋰離子電池單體的熱失控安全系數(shù)較低，但通過加強(qiáng)電池包殼體的強(qiáng)度，完善電池管理系統(tǒng)對熱失控的檢測和提前預(yù)警機(jī)制，利用隔熱絕緣材料降低熱擴(kuò)散速率等都能有效地增強(qiáng)電池包的整體安全系數(shù)，以滿足國標(biāo)對車用動力電池的安全性要求，提升其使用層面的安全性。磷酸鐵鋰電池/刀片電池能量密度相對較低，但其熱失控安全系數(shù)比三元鋰離子電池高不少，這有利于使用無模組設(shè)計(jì)來進(jìn)一步提升電池包整體能量密度，增加電動車的續(xù)航里程，從而在安全性和續(xù)航上實(shí)現(xiàn)更好的平衡。

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