電池針刺試驗難度有多大？為何寧德時代兩次試驗被網(wǎng)友瘋狂吐槽
導
語
兩周前，寧德時代2019年度業(yè)績網(wǎng)上說明會上，有投資者問寧德時代在電池安全檢測上的工作和關(guān)鍵措施，寧德時代新能源科技有限公司董事長兼首席運營官曾毓群在回答中提到：“電池的安全和電池的濫用測試是兩回事，有些人把濫用測試的通過等同于電池的安全?！?/p>
▼
這條充滿火藥味的答復無疑將矛頭指向了最新熱度極高的比亞迪刀片電池，“濫用測試”即為比亞迪前不久公開的三種動力電池對照針刺試驗。比亞迪汽車銷售公司副總經(jīng)理李云飛隨后在微博隔空喊話：“不服？！那也來扎一下吧?！?/p>
寧德時代的兩次針刺試驗
寧德時代真的“扎了”，還“扎了”兩次，而且這兩次試驗全部順利通過，但是這一結(jié)果并沒有被廣大網(wǎng)友認可，反而引發(fā)瘋狂吐槽。
5月22日，寧德時代在微博發(fā)布第一條關(guān)于針刺試驗的視頻，配文稱：“是什么阻礙寧德時代做針刺測試？是技術(shù)？是體質(zhì)？是巨頭的面子？不，是鋼針！”。
這條微博發(fā)布后，立即被網(wǎng)友指出寧德時代是在偷換概念。這項試驗中，寧德時代將原應(yīng)作為試驗樣品的“電芯”換為了“電池包”，本用于穿刺電芯的直徑5mm、錐角45°鋼針在接觸電池包殼體后被直接折斷，完全違背了模擬短路檢驗電池系統(tǒng)熱擴散的試驗?zāi)康摹?/p>
5月23日晚，寧德時代在微博發(fā)布了第二條針刺試驗視頻，同時表示：“寧德時代早在2017年就已掌握三元電芯通過針刺測試的技術(shù)，但是為什么沒有推廣？通過針刺測試=電池安全嗎？”
在這次試驗中，寧德時代分別對5系三元鋰電池模組和8系三元鋰電池模組進行了針刺試驗，但是根據(jù)寧德時代在視頻中公布的數(shù)據(jù)，兩個樣品的初始電壓均為4.15V，針刺后僅分別下降了0.48V和0.08V，并沒有引起明顯的短路，同樣違背了試驗?zāi)康?。這次試驗也被網(wǎng)友戲稱，寧德時代不是在研究如何避免發(fā)生熱失控，而是在研究如何被刺不短路。
國標意見稿：電壓下降值要超過25%
在最新發(fā)布的國家強制標準《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求（征求意見稿）》中，雖然取消了模塊級別的所有測試，但是附錄D熱擴散試驗，仍推薦了“針刺”作為候選方法。同時，意見稿還明確了發(fā)生熱失控的條件：
a）觸發(fā)對方產(chǎn)生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%；
b）監(jiān)測點溫度達到制造商規(guī)定的最高工作溫度；
C）監(jiān)測點的溫升速率dT>dt≥1℃/s，且持續(xù)3s以上。
當a）和c）或b）和c）發(fā)生時，判定發(fā)生熱失控。
寧德時代第二次試驗中，兩個電芯模組的初始值分別為4.15V/23.9℃和4.15V/24℃，針刺后電壓分別下降0.075V和0.48V，溫度分別上升69.8℃和13.7℃，顯然未達到發(fā)生熱失控的標準。
意見征集稿提到了這種情況，并給出了重復驗證方案：“如果未發(fā)生熱失控，為了確保熱擴散不會導致車輛乘員危險，需要證明D.3.1推薦的加熱和針刺方法，均不會發(fā)生熱失控。”，但寧德時代并未執(zhí)行。
與寧德時代結(jié)果相悖的“外界試驗”
在寧德時代公布試驗結(jié)果的同時，汽車博主“小魚鋰電”也對寧德時代NCM523和NCM811兩個電池模組進行了針刺試驗，初始電壓分別為4.18V和4.14V，鋼針直徑7毫米，穿刺速度25mm/s，符合國標標準。
寧德時代NCM523電池模組針刺試驗，來源：小魚鋰電
寧德時代NCM811電池模組針刺試驗，來源：小魚鋰電
小魚鋰電進行的兩次試驗，電池模組均出現(xiàn)了明顯的起火現(xiàn)象，這一結(jié)果與寧德時代公布的視頻差距極大。
被取消的內(nèi)短路試驗
通過針刺觸發(fā)熱失控，是因為電芯被鋼針刺穿后，會因短路產(chǎn)生大量的熱。針刺試驗被取消前，一直都被視為最難通過的安全性測試。
電芯內(nèi)部是隔膜分隔開的一層層極板，將正負極活性物質(zhì)分隔開，隔膜被鋼針刺穿的位置會變成電芯內(nèi)部的短路點，整個電芯的電量都將通過短路點進行釋放，這時產(chǎn)生的瞬時大電流會導致溫度急劇升高、隔膜收縮，從而引發(fā)活性物質(zhì)和電解液的快速分解燃燒，極易出現(xiàn)熱失控。
早期有海外團隊研究稱，鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時，最多會有70%左右的能量在60s內(nèi)通過短路點釋放，短路點瞬間的溫度可達到1000 ℃以上。
除了針刺試驗之外，擠壓也是模擬電池內(nèi)短路的一個方法。隔膜被擠壓拉伸到一定程度后，失效部位將變成短路點。與針刺試驗一樣，通過這個短路的瞬時大電流將導致溫度急劇上升，容易引發(fā)熱失控。
在現(xiàn)實用車環(huán)境中，外力導致的針刺、擠壓引發(fā)的內(nèi)短路，顯然存在。但即便沒有外力介入，電池仍有出現(xiàn)內(nèi)短路的幾率。比如，極片的毛刺存在穿破隔膜的可能；電芯在裝配時，有可能混入極微小的金屬微粒，刺穿隔膜；最常見的還是在電池過充后，極片將覆滿針狀鋰金屬結(jié)晶，刺穿隔膜發(fā)生短路等。
如何通過針刺測試？
電池能否通過針刺試驗，目前主要還是從抑制產(chǎn)熱、提升耐熱性能、增加擴散通道的方面入手，暫未出現(xiàn)避免短路的可行性理論。
在上述幾個方面，決定性最大的是材料化學特性，熱穩(wěn)定性從差到好的順序為：鈷酸鋰<鎳鈷錳（三元鋰電池）<錳酸鋰<磷酸鐵鋰。
三元鋰電池在250-300℃高溫會分解產(chǎn)生大量游離態(tài)氧，并且因為三元材料的化學反應(yīng)尤其強烈，一旦釋放氧分子，電解液在高溫作用下就會迅速燃燒，隨即發(fā)生爆燃現(xiàn)象。
（比亞迪刀片電池針刺試驗數(shù)據(jù)，電壓歸0）
在磷酸鋰鐵電池中，磷酸鐵鋰晶體的P-O鍵非常穩(wěn)固，難以分解。即便在高溫或過充狀態(tài)下，也不會像三元材料一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱，或是形成強氧化性物質(zhì)，擁有良好的安全性。
其余幾個方面，目前也出現(xiàn)了一些應(yīng)用案例。比如，比亞迪刀片電池采用的陶瓷隔膜，將納米級陶瓷顆粒涂覆在隔膜上，提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路；在電解液中添加阻燃劑，提升阻燃效果；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓熱量盡可能有足夠的通道擴散。
結(jié)語：
在《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求（征求意見稿）》的編制說明里，針刺試驗被取消的原因有三，最耐人尋味的是針刺試驗與實際失效模式不相符，剩余原因分別為新能源汽車準入管理規(guī)定（39號令）針刺為暫不執(zhí)行、IEC62660-2和IEC62660-3未要求針刺試驗。
針刺試驗與現(xiàn)實不符的情況確實存在，但不符的不是失效原理，而是失效過程。在現(xiàn)行的安全性測試中，恐怕大多數(shù)試驗方案都無法完全對應(yīng)到現(xiàn)實當中，通過相應(yīng)手段，模擬出同樣的失效條件，似乎并無不合理之處。況且，電池包遭受外力或被外部尖銳物體沖擊，刺穿電池模組出現(xiàn)內(nèi)短路，也并非不可能。
另外還有一個問題，寧德時代既然早已掌握三元電芯通過針刺測試的技術(shù)，為何不借此與同類企業(yè)拉開差距，搶占市場，反而一再堅持取消針刺試驗。這次取消針刺試驗的《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求（征求意見稿）》，主要起草單位就有寧德時代新能源科技股份有限公司。