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“刀片电池”究竟是什么黑科技?

2020-09-07    
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比亚迪开发的“刀片电池”看上去就像一堆排列整齐的裁纸刀。

在每块“刀片电池”内,都包含有多个“刀片”。而每一个刀片里又被分成很多个容纳腔,每个容纳腔里都包含一个电芯,整个刀片就是由是多个极芯串联而成的模组。整体来看给人一种非常轻薄、却在有限空间里塞满了电芯的印象。

刀片电池就像一组整齐排列的裁纸刀

一直以来,成熟的动力电池由电池单体(CELL)、电池模组(Battery Module)和电池包(Pack)三部分组成,堆叠在一起显得鼓鼓囊囊,而刀片电池则无视了传统电池固有的模组概念,直接将单体电池拉长,固定在电池包的边框上。在刀片电池里,电池单体成为了结构件的一部分,既是供电部件,又是电池包的梁。

尽管刀片电池本质上还是磷酸铁锂电池,并没有在电池结构上做出突破,然而通过重新布局,刀片电池的体积能量密度比传统铁锂电池提升了 50%——相当于原来能跑 400 公里的车,现在可以一口气跑 600 公里。

比铁锂电池更强劲

如今,纯电动车使用的动力电池多为锂离子电池,根据电池正极材料的不同,又可以分为三元锂电池,磷酸铁锂电池,锰酸锂电池,钴酸锂电池等类型。而其中最主流的,要数特斯拉使用的三元锂电池,和比亚迪使用的磷酸铁锂电池(简称铁锂电池)。

两种主流动力电池

和三元锂电池相比,铁锂电池有诸多优点:

铁锂电池普遍拥有超过 3000 次的循环寿命,而三元锂电池的循环次数只有一半;铁锂电池化学性质稳定,700-800℃ 时才会开始发生分解,而三元锂电池不到 300℃ 就会分解,可谓是“一点就着”;铁锂电池造价便宜,三元锂电池则要用到稀有金属钴,价格越来越昂贵……

然而,物美价廉的铁锂电池有一个致命缺点。由于化学性质的差异,三元锂电池的能量密度比铁锂电池高出 70% 左右,因此搭载三元锂电池的车型普遍跑得更远、更快。

两种电池对比

刀片电池的出现让铁锂电池看到了希望。

传统的磷酸铁锂电池包含三层结构:电芯,模组和电池包,其中电芯和模组的支撑固定结构件会占据很大一部分空间。

传统铁锂电池

而“刀片电池”则省去了模组和大部分支撑结构,由电芯直接成包,空间利用率大大提升了。同样的电池体积里,现在可以塞下比以前多得多的电芯。据比亚迪给出的数据,对电池包的重塑使刀片电池单位体积能量密度提升 50%,相当于原来满充能跑 400 公里的电动车,如今能跑 600 公里。

比三元锂电池更安全

尽管三元锂电池续航久动力足,但“热失控”一直是它挥之不去的噩梦。

2013 年,美国田纳西州的一辆特斯拉 Model S 的底盘撞到了掉落路面的拖车挂钩,车底部的电池包被挂钩刺穿,电池短路起火;同年,西雅图的一辆 Model S 撞击到路中央的金属物体,电池包受损,汽车开始自燃。现实生活中,贯穿、刺破电池的情况时有发生,而一旦遇到这种情况,三元锂电池十有八九要出大问题。

自燃的特斯拉

而刀片电池安全性远胜三元锂电池,用比亚迪董事长王传福的话来说,“搭载刀片电池的新能源汽车,将把‘自燃’这个词从新能源汽车的字典里彻底抹掉”。

为了证明这一点,比亚迪在刀片电池的发布会上公布了一段刀片电池针刺穿透测试的视频。

针刺穿透测试是行业内公认的对电池电芯安全性最为严苛的检测手段。这一测试要求用钢针把电池电芯刺穿,造成电芯内部的大面积短路。

在测试录像中,三元锂电池在针刺瞬间出现剧烈的温度变化,表面温度迅速迅速超过了 500℃,放在电池表面的鸡蛋被炸飞。传统块状磷酸铁锂电池被刺穿后,没有产生明火,但是有烟冒出,同时电池表面温度达到了 200-400℃,电池表面的鸡蛋被高温烤焦。

然而刀片电池被刺穿后表面温度仍维持在 30-60℃ 的稳定水平,没有冒烟没有起火,电池表面的鸡蛋也仍然是流动状态。

刀片电池被刺穿

刀片电池能通过针刺测试,和铁锂电池自身的稳定性质分不开。

实验室数据显示,三元锂电池的自燃温度是200℃,到达这个温度时,三元锂电池的正极材料就会开始分解产生氧气,氧气遇到电池内部易燃的电解液,在高温下很容易自燃自爆。而磷酸铁锂电池的自燃温度则是500-800℃,在充放电时也不会释放氧气,因此在被刺穿时也只会冒烟,没有明火。

而在铁锂电池本身的稳定性上,刀片电池又做成了轻薄的长条形,散热面积更大,同时电池回路长,热量不容易在电路上集中,因此被刺穿后也能保持稳定的温度,安全性能大大提升。

尽管刀片电池看起来很美,但它的续航能力和安全性,还需要在实际应用中经受更多的考验。

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