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比亞迪刀片電池“砍”誰脖子上了?

來源:虎嗅APP 瀏覽次數:211 發布日期:2020-06-12

2020年1月,在中國電動汽車百人會上,比亞迪宣布將在3月推出“刀片電池”,體積能量密度比傳統磷酸鐵鋰電池提升50%,并將應用于全新轎車比亞迪“漢”車型上,其續航將超過600公里(NEDC)。

之后比亞迪股價連日上漲,引發網絡大量討論,不過并未引起太大轟動,尤其是筆者,并未感到有什么特別之處。

2020年3月底,比亞迪召開了“刀片電池”線上發布會,稱傳統的電池包的空間利用率只有40%,“刀片電池”的電池包的空間利用率可以達到有60%以上,可以大大提高續航。

且由于空間利用率提高,使得單電芯能量密度為180Wh/kg的“刀片電池”,裝配成電池包后系統能量密度為140Wh/kg,從而滿足了比亞迪“漢”車型能夠搭載上549kg重的77kWh電池包,實現605公里續航(NEDC)。

不過這些,對比現在大量采用的三元鋰電池來說,算不上什么優勢,因為現階段三元鋰電池單電芯密度可達200-300Wh/kg左右,組裝成電池包系統后在160-200Wh/kg左右。

真正令網友沸騰和網絡熱議的在于接下來比亞迪播放的三個視頻片段,分別是:某三元鋰電池針刺實驗、某磷酸鐵鋰電池針刺實驗、“刀片電池”針刺實驗。

播放完視頻,結果一目了然:“刀片電池”通過了“動力電池最嚴苛的針刺測試”,相比之下,某三元鋰電池劇烈燃燒、某磷酸鐵鋰電池泄露高壓高溫氣體。

“刀片電池”的明與暗

比亞迪“刀片電池”的針刺測試視頻一出,引起了人們對磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的爭相討論,從一開始的技術原理分析一路演變為相互混戰,由此引發了筆者的好奇之心,決定研究一番。

無論如何爭議,都需要弄清楚幾個既定的事實,否則就毫無意義。

首先,“刀片電池”是磷酸鐵鋰電池(LFP,LiFePo4),最早是由古迪納夫(2019年諾貝爾化學獎獲得者之一)發明的,于1996年德州大學代表古迪納夫實驗室向美國申請了專利(WO1997040541)。不過之前日本NTT公司曾派遣一位研究員岡田協助古迪納夫研究,后在2015年搶先在日本當地于1995年注冊了專利,后續專利之爭還有很多故事,這里不多贅述。

注:鋰電池,準確講是鋰離子電池,由于各種鋰電池負極材料大多類似,所以皆由正極材料作為命名方式。即磷酸鐵鋰電池的正極為磷酸鐵鋰化合物。

其次,磷酸鐵鋰具有“天生”的優點。

磷酸鐵鋰的循環性能好,即循環壽命長。鋰電池電量衰退的原因有很多,但與正極材料相關的主要是充放電過程中正極材料結構“晶格塌陷”,造成結構破壞,從而使得一部分正極材料失活。而磷酸鐵鋰化合物從分子結構上相較于鎳鈷錳化合物穩定很多,NCM分子是類似“千層餅”形狀,鋰離子從兩層之間流動,而LFP分子則是“橄欖石”形狀,鋰離子游走于三維結構縫隙中。即LFP分子結構中即便鋰離子“離開”,剩下類似FePo4的結構也相對穩定,而NCM則相對不穩定。(三元鋰電池循環壽命在1500~2000次左右,磷酸鐵鋰則能到4000次左右)

(NCM與NCA結構類似)

另外安全性高,磷酸鐵鋰化合物本身的分解溫度在700~800度左右,遠高于三元鋰化合物的200~300度,所以理論安全性高很多;且三元鋰電池在發生“熱失控”時,會釋放氧氣,從而進一步加劇反應劇烈程度,而磷酸鐵鋰化合物中P-O鍵穩固,難以分解從而杜絕氧氣形成,避免連鎖效應。

最關鍵的,雖然早期磷酸鐵鋰電池由于其結構原因,充放電效率較低(形象的說法就是由于結構穩定導致鋰離子活動自由度不高),但隨著包碳技術(法國世界級鋰電科學家米歇爾·阿爾芒發明,并后來與古迪納夫一起申請了專利,MichelArmand),以及納米化材料工藝的技術,現在磷酸鐵鋰電池的充放電性能(即功率)不比三元鋰電池差。

最后,磷酸鐵鋰電池同樣具有著“先天性”缺點。

磷酸鐵鋰電池能量密度低,單電芯目前最頂端也就剛摸到三元鋰電池的一般水平。原因在于相比于三元鋰來說容量低(多少多少Ah),且電壓低(三元大多在4V以上,磷酸鐵鋰在3.4V左右),能量即是容量乘以電壓(多少多少Wh)。

低溫性能差,相比于三元鋰在-20度擁有70%左右的容量,磷酸鐵鋰則僅有50%左右。主要原因仍在于其正極材料的結構,雖然前面提到通過包碳以及納米材料等技術,提高了該結構下鋰離子自由度。但在低溫下,仍無法解決該問題。

測量電量(SoC,State of Charge)較難,由于磷酸鐵鋰電池的電壓在放電時較為穩定,所以如果BMS(電池管理系統)做的不好,很可能顯示還有10%電量,瞬間就變為0%了。由此導致的問題不僅僅是使用端的不方便,更多的是如果無法很好檢測電芯數據,則更加無法良好的管理充放電策略,從而使得電池壽命減少甚至發生鋰枝晶現象導致短路。

不過,無論是磷酸鐵鋰還是三元鋰,其“天生”的優缺點是行業共識,也是所有研究人員心里都清楚的部分。很顯然,在電動汽車開辟個人市場階段,最大的門檻一直都是“續航焦慮”,如果這一關都無法通過,那么其他所有的“優點”都會消失不見。所以,相對安全但容量低的磷酸鐵鋰電池,一直以來都是被公共交通和城市特殊車輛所采用(當然還有很多便攜工具電器),而乘用車則距離磷酸鐵鋰越來越遠。

但是市場中有兩大因素“期許”著磷酸鐵鋰的歸來:一是三元鋰電池的核心材料成本越來越高,導致電池成本想進一步下降難上加難;二是人們對于安全性的要求愈來愈高,例如中保研對買車的影響。

解決這個問題的關鍵點,就在于如何彌補磷酸鐵鋰的“缺點”,突破“續航焦慮”這個門檻。

比亞迪的答卷

磷酸鐵鋰第一個要面對的問題就是能量密度,但是單電芯的能量密度受到材料本身限制,想要進一步突破并非不可能,而是短暫時間想要實現非常難;所以顯而易見只能提升電池包系統能量密度,即從電池包結構入手。

電動汽車所需的電壓高達幾百伏,所以鋰電池基本都是由諸多電芯串聯和并聯組合起來,先形成模組,然后裝進電池包。不過加上線路布置、溫度控制系統、電池包保護材料、電池包框架結構,甚至還有將BMS系統囊括其中;導致雖然電芯能量密度很高,但是組裝成車輛能用的電池包,其系統能量密度大幅下降。(電芯-模組-電池包)

比亞迪采取的策略為:

1.通過“壓扁、拉長”電芯提高單體能量總數,以減少單位體積內放多塊電池引起的空間浪費。

2.“扁長”型電池由于接觸面積大,溫控系統可以稍簡單些也能滿足,進一步減少空間使用。

3.通過將電池的電極布局在兩端,減少布線麻煩和Z軸空間浪費,再進一步提高空間利用。

這一套策略下來,便使得單電芯能量密度并不算高的“刀片電池”,通過CTP(電芯-電池包,Cell-To-Pack)方式,從而提升了系統能量密度,才敢于三元鋰電池包“叫板” 。

雖然本質上說,“刀片電池”并沒有在電池材料本身有跨越性突破,但就目前整個行業的發展方向來看,這套結構升級不僅是整體趨勢,且是目前提高系統密度的最優解。例如寧德時代的CTP結構,特斯拉Model S的11個模組電池包,到Model 3的4個模組電池包。

然而到這個階段,“刀片電池”只解決了“先天”能量密度問題,并沒有解釋清楚磷酸鐵鋰另外兩個“先天”問題的解決辦法。

所以就有了筆者參觀比亞迪電池工廠一事。

意料之外,情理之內

比亞迪“刀片電池”在重慶壁山弗迪電池公司生產(2020年3月從“比亞迪電池”更名而來),該公司于1998年成立。

參觀工廠第一件事就是到現場體驗一番前文提到的三種電池針刺測試;當然,結果仍舊一樣,不過稍有不同的是,筆者得以親眼所見整個過程,以及按照國標要求,針刺過后保留一小時后的電池狀態。

隨后的亮點集中在“刀片電池”生產中采用“堆疊”工藝所克服的難題:長尺寸的雙面涂布工藝和快速疊片技術(后者可能牽扯機密并未展示)。

這里補充一點知識,圓柱形電池采用的是卷繞工藝,方型電池則會采用卷繞和疊片工藝;其中疊片工藝的難點在于裁切、快速疊片以及后期封裝,所以從生產角度較困難且成本不低,尤其是如此長尺寸的電芯。

這一點,給予比亞迪技術上的肯定,尤其是相關生產設備都是自研自產的。

接下來盡管比亞迪在關于“刀片電池”安全性上,花費了大量時間和篇章去講解,但磷酸鐵鋰電池本身具的“先天”優點,足以支撐其完成三元鋰電池都能通過的測試(擠壓、高溫、過充、電池包熱擴散)。

筆者所有的關注點都在低溫性能和SoC測量方法,不過得到的答案有點“意料之外”。

首先是低溫性能,比亞迪并沒有明確說明通過何種方式實現的磷酸鐵鋰低溫性能,只是說“材料的性能有所提升、熱管理的加熱”;乍一聽似乎并沒有想象中的“黑科技”,但比亞迪給出的官方測試數據,卻比較驚人。

“刀片電池包”在0度和-10度環境溫度時,充電速度比NCM811三元鋰電池稍慢一些;-10度時低電量下“刀片電池包”充電速率也低于NCM811,不過在低溫高電量時,充電速率高于NCM811.

最讓人驚訝的是,“刀片電池包”在-10度和-20度時,電池包容量能保持在90%,且低溫低電量時,放電功率高于NCM811。

當然充電功率前文提過,在目前包碳、納米材料等技術支持下,磷酸鐵鋰充放電速度已經不是劣勢。

不過當我提問關于“SoC計算測量方式”時,比亞迪人員稱“我們已經攻克了磷酸鐵鋰BMS中SoC的計算方式,已經不再是問題”。

之所以稱答案為“意料之外”,是因為磷酸鐵鋰難以克服的缺點比亞迪都攻克了,但得到的具體技術解釋有些“情理之中”。

筆者猜測可能是比亞迪不愿意向一個編輯解釋過多的技術細節,又或者是不愿意在這樣的情況下直接對外公布“機密”,不過其真實的原因就不得而知了。

磷酸鐵鋰電池想要提升低溫性能,逃不出納米化材料的應用、正極材料添加導電物質、采用顆粒球化技術、調整電解液成分等方法。至于說實際效果是否符合比亞迪的測試結果,到時候等到比亞迪“漢”量產交付,一試便知。

續航還是安全

其實無論比亞迪的“刀片電池”在輿論中掀起了多大波浪,都無法逃脫一個對消費者最直接的拷問:“要續航還是要安全?!?/p>

注意,此處指的安全是相對安全,并非絕對安全,即便磷酸鐵鋰電池相比三元鋰電池都安全,但裝載到電動汽車上,最終體現出的安全性要由電池包、BMS系統、車輛被動安全等諸多因素決定。如果誰說“磷酸鐵鋰電池的電動汽車就絕對安全”,那就是非壞即蠢。

前一陣寧德時代和比亞迪的隔空對戰,看上去是寧德時代“賠了夫人又折兵”,不僅沒有讓消費者明白,反而使得寧德時代背上了“笨蛋公關”的罪名;但實際上此次交鋒,倒是讓消費者對于電動汽車所采用的鋰電池有了更深入全面的認識。

磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池安全、三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池的能量密度更高,這兩者都沒有什么可爭論的余地。

(某家磷酸鐵鋰針刺測試)

磷酸鐵鋰電池可以利用CTP方式裝成電池包,三元鋰電池一樣可以;三元鋰電池可以采取一些列電池包保護措施,磷酸鐵鋰電池也一樣都可以。所以無論是爭論哪個層面都顯得過于狹隘和局限,這個問題在目前技術角度去看就兩個方面:“續航”和“安全”。

三元鋰電池不是不能做成“防針刺”,而是如果要苛求單電芯通過“針刺”實驗,就要在電解液、隔膜、電芯包裝等多方面加入防護材料,從而導致能量密度下降,成本增高。軍用車有使用這類電池(GJB4477),但對于電動乘用車而言,丟失續航里程數基本就等于失去了競爭力,況且還要增加成本。

一樣產品,一定是不斷擴大其優勢,彌補其劣勢,才逐漸會被市場接受。

對于三元鋰電池而言,想要彌補安全性的劣勢,功夫最好花費在電池包系統安全方面,從BMS主動安全控制、到電池包內部結構和材料、再到整個電池包殼體的被動安全。道理很簡單,打個比方,與其費勁把人弄成綠巨人,不如在汽車整體主被動碰撞安全下手。

反過來,磷酸鐵鋰電池想要彌補能量密度,以目前的電池材料發展水平,最好通過空間利用優化的路子,從而提升整體系統能量密度。

兩者都是在揚長避短,只不過人們衡量電動車的標準出現了變化。之前阻礙人們選擇電動車最大的敵人就是“續航”,而如今動輒500km、600km的續航使得人們逐漸打消了這層憂慮,轉而關注于其他方面。

這也就是為什么當“刀片電池”以安全性能作為核心賣點時,有如此多消費者“買賬”的根本原因。

但是總結來說,采用磷酸鐵鋰的“刀片電池”勢必將會對現有的電動汽車市場產生不小的沖擊,但不足以取締三元鋰電池的地位;因為人們對于“續航”的需求各不相同,而目前所講的“安全”與否都是在對比層面,而非產品合格層面。所以,在未來很長一段時間里,兩者將會是并存的狀況。

不得不說,比亞迪這招針刺“刀片電池”有點“傷敵一千,自損八百”的味道,而寧德時代的回應也顯得著實不怎么機靈。

不過說到底,當行業里出現各種形式的競爭和正面碰撞,才說明這個市場在快速發展,而只有這樣,最終的受益者才會是消費者。

至于說與“刀片電池”強連接的比亞迪“漢”,未來能否在市場中表現出色,銷量會告訴我們一切。

標簽:  比亞迪刀片電池
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