只有磷酸铁锂能刀片化吗？从比亚迪新工艺解读三元锂前景

如题所述

第1个回答 2020-06-16

前几天，小妹在微博上发起了一个投票，收集了网友在选购纯电动车时对电池种类方面的要求，从投票结果来看，大部分人还是对比亚迪的刀片磷酸铁锂电池非常期待。虽然搭载这款电池的量产车型比亚迪汉还没有媒体测过真实续航里程，但官方给出的信息，让大家看到了磷酸铁锂电池更多的可能性。

在与宁德时代掐架的过程中，比亚迪直接邀请媒体现场直播了两款电池的针刺实验，相比NCM三元电池烧的红红火火，刀片磷酸铁锂电池表现得还是十分冷静，刀片电池的安全性大大超过三元电池，在安全性这一块来说，磷酸铁锂电池还真是顶梁柱。

针刺实验是电池发生内短路的过程，针刺破隔膜导致正负极发生接触，爆发出剧烈热量，观察电池后续一系列的反应情况。在这种高温情况下，电池正极材料会发生分解，导致电池材料结构垮塌，影响电池正常使用。

三元锂电池在电池内短路时，正极材料分解温度在 200℃左右，磷酸铁锂电池正极材料分解温度在 500℃ 以上。磷酸铁锂电池中，正极材料发生副反应时，磷酸铁锂材料的磷氧键能量很高，拆散这种化学键所需的能量也很高，这意味着这种材料很难释放出氧气，大大降低了电解液遇到氧气起火的可能性。今天，我们唠唠比亚迪刀片电池的结构。

比亚迪在刀片电池使用的最厉害的技术其实是叠片工艺，虽说这种技术不是比亚迪的专利，但在量产化方面，比亚迪绝对是走在领军队列里的品牌。目前，电池装配中最常用的技术是卷绕工艺，虽然很方便，良品率也很高，但是卷绕工艺的弊端之一就是容量密度低。

大家可以想象一下把一个圆柱体放进一个方形的容器里，肯定会有很多浪费的空间；而叠片电池从切面上看的排列顺序是外壳-铝箔-隔膜-正极-隔膜-负极-正极-隔膜-负极-的循环，类似千层蛋糕的形状，刚好可以规规整整的放进一个矩形电池包里。

而刀片电池的电池包采用了CTP无模组技术，省去了电池模组中间组装过程。为了应景，我拿粽子礼盒举个例子。一个粽子就是一个单体电池，粽子的包装盒就是模组，电池包就是包装盒外面的手提袋。如果我把包装盒省去，那么一个手提袋里面就能装下更多的粽子，现在刀片电池就是用粽子本身去拼成一个礼盒，比亚迪直接把电池连接到一起制成了电池包，提升了空间利用率，相当于提升了电池容量。

刀片电池的形状也能够解释为什么它没有像NCM电池骤然升温，刀片电池形状又薄又长，面积大，单个点发生热失控散热快，不会像方壳电池那样聚集热量，所以不会有明显的升温。独特的设计和工艺，又让电池板上的单位面积能量更小，进一步控制了电池的发热量。

另一方面，刀片电池其实就是把卷绕起来的电极铺平进行装配，和卷绕起来的电池相比，穿刺的层数更少，爆发出来的热量肯定也更少。

大家都知道叠片设计好，为什么不都设计成叠片电池呢？叠片嘛，其实谁都能做，但是别家叠片做出来成本贵啊朋友们！良品率达不到，产出速度又慢，成本还高，这不就有点得不偿失了吗？比亚迪采用的宽幅叠片技术现在可以做到又快又好，这种可不是大白菜，随手就能买到。现在比亚迪的生产线涂布速度是每分钟70米，宽度1.3米，叠片速度能达到0.3秒，就这个工艺来说，比亚迪可太能打了。

比亚迪申请的专利中，有一个是关于电池结构的新设计。单个刀片电池是由多个电芯组成的，电芯或者电芯组都在彼此隔绝的容纳腔中，容纳腔有开关系统，如果单个腔室出现了短路，系统会排出那个腔室中的电解液。准确说打开开关是为了排气泄压，刀片电池因为每个容纳腔都是相对独立的，一个出问题不会影响别的电池。

这其实就像现代船舱的设计，船底有很多个密封舱，当一个密封舱被撞破进水，其他的还完好无损，即使坏了两个三个也不至于让船沉没，这样的设计保证了足够的安全性，电池设计也是这样的。

比亚迪官方说现在刀片电池还没用这个技术，单片电极长度就是960mm，这个我持保留态度，说不定悄咪咪用了但是不承认，也无伤大雅啦。

然而，已经取消的国标要求实际上对刺破单体电池和刺破电池包都有相应的标准，有人就会觉得，在车上使用的是电池包，对单体电池的刺穿实验没有参考意义。但是！针刺实验本身模拟的就是电池内部产生锂枝晶刺破隔膜的情况，使用电池包进行刺穿没有任何意义。在国标测试中，电池包也要经过机械碰撞等试验，从本质上来说，和钢针穿刺电池包的作用一样，是测试电池包外壳的坚固程度而非内部短路时的情况。

不过，磷酸铁锂电池如果真的只有以上所说的优点，也不至于被现在很多车企所淘汰了。安全性来自于磷酸铁锂本身特性，容量密度低同样也来自于此。磷酸铁锂电池的电解液和粘结剂在低温环境下会变差，导致电池容量和性能都会大打折扣，零下20℃时，磷酸铁锂电池的电化学活性只有50%-60%，而三元锂电池则能保持70%-80%左右，这也是为什么很多北方车主反应冬天续航缩水的原因。

再则，磷酸铁锂电池另一个本质问题是电池一致性比较差，可能有人对这个一致性没有概念，如果电池的一致性较差，电池故障率就会升高，电池包的维修难度也成正比，也对材料制备和生产制造两方面都对技术提出了很高的要求。而刀片电池从结构上来说，采用了更为安全的叠片工艺，但最先接触电解液的部分会反应的更多，影响电池反应的同步性；而卷绕工艺更方便电解液均匀分布，有利于各个部分的电池反应程度一致。

所以鼓吹磷酸铁锂拯救新能源的人大可不必，在这两条最为关键的问题上，磷酸铁锂和三元锂的距离大概就是条条大路通罗马，但三元锂就生在罗马，为什么要以己之短攻彼之长呢？

也有人会问，能不能集合三元材料的高容量和叠片工艺的安全性二者的优点，做出一款刀片NCM电池呢，比亚迪官方给出的解释是，三元材料总的来说还是没有磷酸铁锂来的安全，就算做成刀片形状也无法将发热量控制在很低的水平。

无论是电池BMS管理系统还是更精巧的电池内部结构，再或者是按需定制，其实都无法根本上解决磷酸铁锂电池和三元锂电池的矛盾。化学材料的本性是天生的，只有从化学层面上进行材料改性或者是结构改性，才能真正意义上弥补磷酸铁锂电池和三元锂电池的缺点，成为能打能抗的六边形战士。

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