比亚迪的救市良药“刀片电池” 如何打响反击战

• 刀片电池

驱动中国2020年4月1日消息   随着电动车的大规模普及，消费者对于电动车的接受程度越来越高，但在这一过程中不断有电动车自燃事故的报道，比如特斯拉Model S近几年来在全球范围内就多次发生自燃，引发了消费者对于新能源汽车可靠性的担忧。纵观这些自燃事故发生的主要原因都是电池，但是作为电动车自然是离不开电池的，那么如何保证动力电池的安全性就显得尤为重要。3月29日，比亚迪正式宣布推出“刀片电池”并首发搭载比亚迪汉。按照发布会的说法，这款所谓的“刀片电池”在安全性和寿命性、续航里程方面均领先同类型电池。那么问题来了，刀片电池能否成为行业主流？

动力电池的现状

动力电池领域目前主要有三元锂和磷酸铁锂两大技术路线，两种电池的负极材料均是石墨，三元锂电池由于其正极材料含有镍钴铝或者镍钴锰所以被叫做三元锂，相应的正极材料里没有钴元素的电池被叫做无钴电池，其中的代表就是磷酸铁锂电池。

早期电动车刚起步时，磷酸铁锂也是行业主流之一，不过当时市场上的磷酸铁锂电池电芯能量密度仅为120Wh/kg左右，而特斯拉Model 3上搭载的21700电池电芯能量密度为前者的一倍。最近几年国家在补贴上偏向长续航里程的车型，因此具有高能量密度优势的三元锂电池应用更为广泛。另外，当时电动车刚刚兴起，即便在发达城市，充电桩的数量也极为有限，所以容量更大的三元锂电池更受消费者欢迎。

不过现如今磷酸铁锂电池的能量密度已经有了明显提升。部分电池的能量密度已经达到190Wh/kg，基本赶上了主流三元锂电池的水平。同时磷酸铁锂电池的正极材料采购价更低，在能量密度和价格上可以做到很好的平衡。所以像特斯拉这样只用三元锂电池的车企也在计划使用磷酸铁锂电池。

除此之外，磷酸铁锂电池还有一项优势是三元锂电池无法比拟的，那就是消费者最关注的安全性。三元锂电池由于材料较为活泼且燃点较低，所以耐高温性远不如磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池热失控温度普遍在500度以上，三元锂电池则低于300度，一些高镍比例的三元锂电池热失控温度甚至低于200度，所以不难解释为什么搭载三元锂电池的车一旦自燃就会燃烧的非常迅速。

刀片电池究竟是什么东东

比亚迪刀片电池说白了就是磷酸铁锂电池，这种形状上像刀片一样的电池单体厚度不到2厘米，宽度在10厘米左右，长度约为1米，单体额定电压为3.34V，容量超过100Ah，换算成大家好理解的数据，这一块单体所带电量约为334Wh，也就是0.334度电。

作为对比，传统动力电池的结构一般是多个电芯组成模组，数十个电池模组合在一起成为电池包。为了固定电池模组，就需要安置横纵交叉的大梁，同时使用螺栓将其固定。这些部件既会占用车底空间，还会增加额外的重量，最终影响的还是电池包总容量。

不过比亚迪运用了一种名为CTP（Cell To Pack）的电池技术，简单来说就是省去把电芯组成电池模组的步骤，直接让电芯以阵列的方式装到电池包壳体内，这样的设计省去了螺栓，横纵梁，最大化提升了电池包内部的空间利用率，从而使得电池包的能量密度提升。

在笔者看来这种设计思路很好，但是想要实现量产可不简单。首先比亚迪取消了横纵梁还得保证电池壳体的强度，这就得想办法改进成型工艺或者是重新设计结构。另外，电池较长会使其内阻增大，比亚迪还得优化内部电路，所以说刀片电池落地商用还是克服了不少困难。

让一众动力电池都无法通过的针刺实验是什么

为了证明“刀片电池”的安全性，比亚迪实验室最近对刀片电池、普通磷酸铁锂和三元锂电池样品进行了针刺试验，那么这个针刺试验是个什么鬼。

我们从国家关于《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》的征求意见稿可知，所谓电芯针刺试验是按照GB/T 31485-2015的针刺试验方法，将电池充满电，用直径为5-8mm的耐高温钢针，以（25±5）mm/s的速度，从垂直于电池极板的方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在电池中，观察1小时，不起火、不爆炸才算合格。

对于锂离子电池来说，发生自燃大多是内部电芯热失控，所谓热失控简单来讲就是电池内部的产热速率远高于散热速率。电芯出现热失控的主因是电池内部短路，在短时间内迅速积累大量热能，热量无法排出从而引发电池包着火甚至爆炸，而针刺实验目的就是人为刺穿电池引发内部短路，观察电池在这种情况下还能不能保证状态稳定。

这些电池表现如何

▶三元锂离子电池

通过比亚迪实验室的视频我们可以看到，钢针刺穿三元锂电池使其内部短路后，电池内部压力迅速上升，电池壳体开始膨胀，泄压阀打开，电池内部物质一并喷出，直接发生爆炸。比亚迪在做实验时还在电池上放了鸡蛋，观察电池壳体的温度能不能把鸡蛋煎熟，可惜鸡蛋在电池爆炸的过程中炸飞了。在实验过程中，电池外壳温度最高达到420摄氏度。

上文中我们也提到过，三元锂电池的热失控温度低于300度，在电池被钢针刺穿导致短路后，电池内部温度迅速提升，电池正极材料达到分解温度，分解产生大量的游离态氧，进一步促进内部化学反应进行，随之而来就是电池内部压力上升推开泄压阀，泄压阀开启后由于电池内部残留的高温可燃电解液接触到空气中大量氧气，所以最终发生了爆炸。

▶普通磷酸铁锂电池

普通磷酸铁锂电池在钢针穿透极板后，短路导致电池内部压力迅速上升，电池外壳鼓胀，随后泄压阀打开，电池内部电解液喷出，之后电压开始下降电池外壳温度上升，在实验过程中，电池外壳温度最高达到239摄氏度，外壳上放的鸡蛋已经被煎熟。

通过实验结果可以看出，普通磷酸铁锂电池虽然也出现短路发热，但因为其热失控温度更高，所以电池内部发生化学反应的程度并不剧烈，随着压力的提升推开泄压阀泄压，避免了因电池内部压力过大而发生爆炸，在整个实验过程中，电池没有发生起火和爆炸，安全性还是值得肯定的。

▶刀片电池

钢针从刀片电池中央穿透极板后，电池内部短路并没有触发热失控，电池壳体也没有出现鼓胀，在整个实验过程中，电池外壳温度基本稳定在30度左右，较低的外壳温度让鸡蛋还保持原样，同时也避免了出现热扩散而引发其他电芯出现热失控。

同样都是磷酸铁锂电池，刀片电池采用了长而薄的设计，钢针刺穿的极板数量较少，所以电池内部短路发热量也相对较低。另外，大面积的外壳对于电池散热也比较有利，多种利好共同作用，最终让刀片电池通过了严苛的针刺实验。

刀片电池会成为行业主流吗

答案是肯定。

消费者和车企都希望动力电池容量大，同时安全，价格还得便宜。比亚迪通过CTP技术大幅提升了磷酸铁锂电池包的能量密度，交出了刀片电池这一硬核答案。当然部分车企的产品还是会为了追求长续航选择高能量密度的三元锂电池。

在安全方面毫无疑问是刀片电池完胜，不过三元锂电池的用户 也不用过分担心。目前量产车上的三元锂电池虽然单体安全系数较低，但是车企会在隔热、温控以及碰撞防护等方面花费更多精力设计，依靠电池包安全结构和电池管理系统的优化设计还是能保证电池在日产使用层面上的安全性，国家也有专门的规定，当锂离子电池由于单个电芯热失控而引起热扩散，车辆需要提前5分钟警告用户疏散。

在平衡价格和能量密度这一方面是刀片电池的强项，三元锂电池完全没有还手之力。除了上述三项以外，前者寿命更长，这一点已经在比亚迪的电动巴士上得以证明，不过在低温状态下的放电特性却不如三元锂电池，另外充电速度也不及后者。

综合来看，刀片电池优点在于更高的安全性，更突出的性价比，以及更长的循环寿命，而三元锂电池则胜在更高的能量密度，更好的抗低温性，以及更强的充电性能，两者各有优劣，谁也做不到完全取代对方。在补贴逐渐退坡后，两种不同类型的锂离子电池应该会有更明确的分工，对于那些追求快充以及长续航的车型，三元锂会是主流选择；而对于面向普罗大众的车型来讲，选择以刀片电池为首的磷酸铁锂电池是更为合理的做法。