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只有磷酸亞鐵鋰能刀片?從比亞迪新技術看三元鋰的前景

日前,小美在微博發起了壹項民意調查,收集網友在購買純電動車時對電池類型的要求。從投票結果來看,大部分人還是對比亞迪的葉片磷酸鐵鋰電池比較期待。雖然搭載這款電池的量產車型比亞迪韓還沒有被媒體測出真正的續航裏程,但是官方的信息已經讓大家看到了磷酸鐵鋰電池更多的可能性。

在與當代Amperex科技有限公司爭鬥的過程中,比亞迪直接邀請媒體直播了兩塊電池的針刺實驗。相比NCM三元電池,刀片磷酸鐵鋰電池還是很淡定的,刀片電池的安全性大大超過三元電池。安全性方面,磷酸鐵鋰電池真的是頂梁柱。

針刺實驗就是電池內部短路的過程。針刺破隔膜,導致陽極和陰極接觸,爆發出強烈的熱量。觀察到電池的壹系列後續反應。在這種高溫下,電池的正極材料會分解,導致電池材料結構坍塌,影響電池的正常使用。

三元鋰電池在電池內短路時,正極材料的分解溫度在?200℃左右,磷酸鐵鋰電池正極材料的分解溫度是多少?500℃?以上。在磷酸鐵鋰電池中,當正極材料發生副反應時,磷酸亞鐵鋰材料的磷氧鍵能量很高,打破這種化學鍵所需的能量也很高,這意味著這種材料很難釋放氧氣,大大降低了電解液遇氧著火的可能性。今天我們來說說比亞迪刀片電池的結構。

比亞迪在刀片電池上用的最厲害的技術其實就是疊片技術。雖然這項技術不是比亞迪的專利,但比亞迪絕對是量產的領導品牌。目前,電池組裝中最常用的工藝是卷繞工藝。雖然方便且產量高,但是卷繞工藝的缺點之壹是容量密度低。

妳可以想象壹下,把壹個圓柱體放進壹個方形的容器裏,肯定會有很多浪費的空間;疊層電池在截面上的排列順序是外殼-鋁箔-隔膜-正極-隔膜-負極-正極-隔膜-負極的循環,類似於千層餅的形狀,剛好可以放進壹個長方形的電池組。

刀片電池的電池組采用CTP無模塊技術,省去了電池模塊的中間組裝過程。在這種情況下,我以粽子禮盒為例。壹個粽子就是壹個單體電池,粽子的包裝盒就是壹個模塊,電池包就是包裝盒外面的壹個手提袋。如果我省去包裝盒,那麽可以在手提包裏放更多的粽子。現在刀片電池和粽子本身組裝成壹個禮盒。比亞迪直接把電池連在壹起做成電池包,提高了空間利用率,相當於提高了電池容量。

刀片電池的形狀也可以解釋為什麽它不會像NCM電池那樣突然升溫。刀片電池外形細長,面積大。單點失控時,散熱很快,不會像方殼電池那樣積熱,不會出現明顯的溫升。獨特的設計和技術使得面板上單位面積的能量更小,進壹步控制了電池的發熱量。

另壹方面,刀片電池實際上是將卷繞的電極壓平以便組裝。和繞線電池相比,刺破的層數少,迸發的熱量也少。

大家都知道疊片電池設計的很好,那為什麽不設計成疊片電池呢?層壓,其實誰都可以做,只是做別的層壓很貴,朋友們!產量達不到,產出速度慢,成本高。這不是有點虧嗎?比亞迪的寬層壓技術現在可以又快又好地完成。這不是大白菜,很容易買到。目前比亞迪生產線的塗布速度為每分鐘70米,寬度為1.3米,層壓速度可達0.3秒。就這個過程來說,比亞迪太能打了。

比亞迪申請的專利中有壹項是關於電池結構的新設計。單個葉片電池由多個電芯組成,每個電芯或電芯組位於壹個隔離的容納腔內,該容納腔具有開關系統,如果單個腔短路,該系統將排出該腔內的電解液。準確的說是打開開關排氣泄壓。因為每個容納腔都是相對獨立的,所以壹個問題不會影響到其他電池。

這其實很像現代小木屋的設計。船的底部有許多密封的船艙。當壹個密封艙被砸入水中,其他的仍然完好無損。即使斷了兩三根,船也不會沈。這樣的設計保證了足夠的安全性,電池設計也是如此。

比亞迪官方說刀片電池還沒有用這個技術,單個電極長度是960 mm,我對此持保留意見。可能咪咪用過,但她不承認,也不疼。

而已經取消的國標要求,其實對單體電池和電池組的擊穿都有相應的標準。有些人會認為電池組是用在車上的,對單體電池的擊穿實驗沒有參考意義。但是!針刺實驗本身模擬的是電池內部產生鋰枝晶刺破隔膜的情況,使用電池組進行刺破沒有意義。在國標測試中,電池組還要經過機械碰撞等測試。本質上和鋼針刺穿電池組的作用壹樣,是為了測試電池組外殼的牢固程度而不是內部短路。

但是,如果磷酸鐵鋰電池真的只有上面說的優點,也不會被現在很多車企淘汰。安全性來自磷酸亞鐵鋰本身的特性,低容量密度也是如此。磷酸鐵鋰電池的電解液和粘結劑在低溫下會變質,大大降低電池的容量和性能。零下20℃時,磷酸鐵鋰電池的電化學活性只有50%-60%,而三元鋰電池的電化學活性可以維持在70%-80%左右,這也是為什麽很多北方車主對冬季電池壽命縮水的反應。

再者,磷酸鐵鋰電池的另壹個本質問題是電池的壹致性差,有些人可能對這個壹致性沒有概念。如果電池的壹致性差,電池的故障率會增加,電池組的維護難度成正比,這也對材料準備和制造工藝都提出了很高的要求。在結構上,刀片電池采用了更安全的疊片工藝,但最先接觸電解液的部分會發生更多的反應,影響電池反應的同步性;卷繞過程更便於電解液的均勻分布,有利於電池各部分反應程度的壹致。

所以提倡磷酸亞鐵鋰的人沒必要節約新能源。在這兩個最關鍵的問題上,磷酸亞鐵鋰和三元鋰的距離大概是條條大路通羅馬,但三元鋰誕生於羅馬。為什麽要用自己的缺點去攻擊對方?

有人可能會問,有沒有可能把三元材料的高容量優勢和層壓工藝的安全性結合起來,做壹個刀片式NCM電池。比亞迪官方給出的解釋是,三元材料壹般沒有磷酸亞鐵鋰的安全,即使做成刀片形狀,發熱量也無法控制在很低的水平。

無論是電池BMS管理系統,還是電池更加精致的內部結構,還是按需定制,都無法從根本上解決磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的矛盾。化學材料的本質是與生俱來的。只有從化學層面進行材料改性或結構改性,才能真正彌補磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的不足,成為能打能抗的六角形戰士。

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