三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的技術(shù)之爭(zhēng)，隨著比亞迪刀片電池的發(fā)布，再次成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

3月29日，比亞迪推出了新一代自研的磷酸鐵鋰電池——“刀片電池”，宣稱(chēng)能夠克服傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池能量密度低的劣勢(shì)，改變行業(yè)對(duì)三元鋰電池的依賴(lài)。

比亞迪董事長(zhǎng)王傳福還在發(fā)布會(huì)立下Flag，表示要將“自燃”從新能源汽車(chē)的字典中徹底抹掉。

此外，關(guān)于刀片電池的“針刺測(cè)試”也熱議不斷。這在一定程度上反映了，業(yè)內(nèi)對(duì)刀片電池存有的好奇與質(zhì)疑：刀片電池是如何生產(chǎn)出來(lái)？刀片電池真的能夠重新定義電動(dòng)汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)？

或是為回應(yīng)質(zhì)疑，比亞迪用事實(shí)來(lái)說(shuō)話(huà)。

6月4日，弗迪電池（比亞迪旗下的獨(dú)立子品牌）重慶工廠(chǎng)舉行了一場(chǎng)工廠(chǎng)探秘活動(dòng)，邀請(qǐng)了百余位媒體人、行業(yè)專(zhuān)家進(jìn)行實(shí)地參觀(guān)，揭秘刀片電池背后的超級(jí)工廠(chǎng)。

 

比亞迪為何執(zhí)著于磷酸鐵鋰電池？

比亞迪1995年以電池起家，2003年跨界成功，躋身汽車(chē)生產(chǎn)商行列。

事實(shí)上，從2002年開(kāi)始，比亞迪就已經(jīng)著手于磷酸鐵鋰電池的研發(fā)，期間也曾批量推出三元鋰電池，并廣泛應(yīng)用在秦唐等雙模車(chē)上。

即便如此，在三元鋰電池成為各大車(chē)企純電車(chē)型哄搶的對(duì)象之際，比亞迪依然沒(méi)有放棄對(duì)磷酸鐵鋰電池的研發(fā)。

比亞迪刀片電池

為什么比亞迪對(duì)磷酸鐵鋰電池的執(zhí)念這么深？

或者說(shuō)，為什么比亞迪不愿意全力加碼有著更高能量密度的三元鋰電池，而是選擇了安全穩(wěn)妥但能量密度低的磷酸鐵鋰電池？

從材料成分與化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)看，磷酸鐵鋰電池有著三元鋰電池不可比擬的安全優(yōu)勢(shì)。

三元鋰電池的正極材料主要是鎳鈷錳與鎳鈷鋁兩種，其中的錳或者鋁在溫度過(guò)高的情況下容易分解，與氧產(chǎn)生劇烈反應(yīng)。

“在500℃的溫度下，磷酸鐵鋰材料結(jié)構(gòu)都非常穩(wěn)定，但三元鋰材料在200℃左右就會(huì)發(fā)生分解，且化學(xué)反應(yīng)較劇烈，會(huì)釋放氧分子，更容易引發(fā)熱失控。”弗迪電池公司副總經(jīng)理孫華軍表示。

但由于能量密度不及三元鋰，加上新能源汽車(chē)補(bǔ)貼對(duì)汽車(chē)的長(zhǎng)續(xù)航有著要求，這也導(dǎo)致過(guò)去幾年里，市場(chǎng)的大多數(shù)選擇與磷酸鐵鋰電池?zé)o緣，擦肩而過(guò)。

然而比亞迪始終認(rèn)為，電池的安全問(wèn)題至關(guān)重要。

因此，比亞迪一直在對(duì)磷酸鐵鋰電池的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，在保持磷酸鐵鋰電池安全特性的同時(shí)，對(duì)其系統(tǒng)能量密度進(jìn)行提升。

在過(guò)去的18年中，比亞迪將相同體積下的電芯容量提升了70%。同時(shí)電池的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，將以往電池內(nèi)部浪費(fèi)的空間利用了起來(lái)，電池的長(zhǎng)寬比從3.8提升到了10.6。

基于種種的調(diào)優(yōu)設(shè)計(jì)，才有了如今的刀片電池超級(jí)包。

“我們最終的目標(biāo)是，（電池）能量密度的提升以及成本的降低，同時(shí)把安全性能提高到極致?！备サ想姵毓S(chǎng)副總經(jīng)理孫華軍總結(jié)道：“刀片電池”的產(chǎn)生不是偶然的靈感，也不是突發(fā)奇想的異想天開(kāi)的產(chǎn)品，是我們?cè)谶^(guò)去這么多年，在動(dòng)力電池領(lǐng)域長(zhǎng)期的深耕所帶來(lái)的必然的產(chǎn)品?！?/p>

 

刀片電池是如何煉成的？

目前，位于重慶璧山區(qū)的弗迪電池工廠(chǎng)是刀片電池唯一的生產(chǎn)基地，工廠(chǎng)總投資100億元，規(guī)劃年產(chǎn)能達(dá)20GWH。

從2019年2月開(kāi)工，到2020年3月刀片電池正式推出，刀片電池工廠(chǎng)僅用1年時(shí)間就成為了高度精益化、自動(dòng)化、信息化制造管理系統(tǒng)的超級(jí)工廠(chǎng)。

在雷鋒網(wǎng)新智駕的實(shí)地探訪(fǎng)中，也發(fā)現(xiàn)整個(gè)工廠(chǎng)的電池產(chǎn)線(xiàn)和生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化、機(jī)械化。最重要的是，進(jìn)一步了解了刀片電池是如何生產(chǎn)加工出來(lái)的。

在生產(chǎn)電池之前，刀片電池對(duì)生產(chǎn)環(huán)境有著十分嚴(yán)苛的要求，比如車(chē)間的無(wú)粉塵設(shè)計(jì)、26攝氏度的恒溫控制、以及1%以下的濕度控制。

孫華軍說(shuō)，為了最大程度降低電池的短路率，他們提出了一個(gè)粉塵分級(jí)管控的概念，在一些關(guān)鍵工序上，能夠做到一立方米空間內(nèi)，5微米（頭發(fā)絲1/20粗細(xì)）的顆粒不超過(guò)29個(gè)，這達(dá)到了與液晶屏生產(chǎn)車(chē)間相同的標(biāo)準(zhǔn)。

在參觀(guān)工廠(chǎng)的過(guò)程中，據(jù)弗迪電池工程師介紹，刀片電池生產(chǎn)經(jīng)歷了配料、涂布、輥壓、疊片、裝配、烘烤、注液、檢測(cè)八大生產(chǎn)工藝。

• 比如在配料環(huán)節(jié)，配料系統(tǒng)的精度需要控制在千分之二，以保證漿料的穩(wěn)定性；配料的水需經(jīng)八道過(guò)濾，最后得到的高純水里除了水分子分離出來(lái)的氫離子和氫氧根離子之外，沒(méi)有任何雜質(zhì)離子。

• 涂布環(huán)節(jié)，則要求將漿料快、寬、勻、準(zhǔn)地涂敷在集流體表面。即雙面同時(shí)涂布，涂布最大寬度達(dá)1300mm、單位面積涂敷重量偏差小于1%。

• 輥壓環(huán)節(jié)，需要用高精度軋輥將電極片按照預(yù)設(shè)的厚度進(jìn)行輥壓，要求1200mm超大幅寬的輥壓速度達(dá)到120m/min，厚度控制2μm以?xún)?nèi)，確保寬尺寸極片厚度的一致性。

• 疊片環(huán)節(jié)更是考驗(yàn)電池生產(chǎn)工藝的時(shí)刻，需要將長(zhǎng)度將近 1000mm的極片進(jìn)行疊片，公差控制在±0.3mm以?xún)?nèi)、單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。

刀片電池裝配工序

相對(duì)于傳統(tǒng)的卷繞式生產(chǎn)工藝，疊片工藝的效率會(huì)更低一些。但孫華軍在接受雷鋒網(wǎng)新智駕的采訪(fǎng)時(shí)表示，目前刀片電池的疊片水平是0.3秒，可能剛投產(chǎn)還有待落實(shí)，但0.3秒/片應(yīng)該是能夠達(dá)到，跟傳統(tǒng)的卷繞工藝相比已經(jīng)差別不大。

疊片之后，通過(guò)絕緣、焊接、入殼、密封等工序組裝成電芯；然后通過(guò)真空負(fù)壓及罐體加壓方式，將電解液充分注入電芯并快速完成吸收過(guò)程；最后完成電池的各種檢測(cè)。

刀片電池包工藝示意

此外，孫華軍還表示，為了實(shí)現(xiàn)電池生產(chǎn)的自動(dòng)化數(shù)字化，每個(gè)電池都有一個(gè)ID二維碼，可以追溯到它經(jīng)過(guò)的每一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備、時(shí)間點(diǎn)、原材料，也能從原材料追溯到電池產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)正向反向的全追溯。

 

刀片電池成為行業(yè)新標(biāo)桿？

那么，經(jīng)受重重嚴(yán)苛生產(chǎn)流水線(xiàn)出來(lái)的刀片電池，有怎樣的性能表現(xiàn)？

在超級(jí)工廠(chǎng)里，雷鋒網(wǎng)新智駕有機(jī)會(huì)近距離地觀(guān)察了電池的“針刺測(cè)試”?！搬槾淘囼?yàn)”的本質(zhì)是模擬極端情況下電池內(nèi)部短路的測(cè)試方法，來(lái)驗(yàn)證電池的安全性。

當(dāng)鋼針刺入時(shí)，鋼針提供了電池內(nèi)部短路的通路，電池的電能轉(zhuǎn)化為熱能，造成短時(shí)間內(nèi)能量的集中爆發(fā)和釋放，可能產(chǎn)生冒煙、漏液，甚至起火爆炸。這也是大多數(shù)電動(dòng)車(chē)發(fā)生燃燒的最主要原因。

據(jù)弗迪電池的工程師介紹：“針刺試驗(yàn)”在電池充滿(mǎn)電的情況下，將直徑5毫米的鋼針，以25毫米每秒的速度垂直刺破三元鋰與刀片電池電芯，然后靜置一小時(shí)。

可以清楚地看到，三元鋰電芯被鋼針刺穿的那一瞬間，電芯肉眼可見(jiàn)地迅速膨脹爆炸，火舌瘋狂從內(nèi)部冒出來(lái)。而刀片電池的表現(xiàn)則是無(wú)煙、不起火、不爆炸。

順利通過(guò)“針刺試驗(yàn)”，只是刀片電池安全性能表現(xiàn)的一環(huán)。

總地來(lái)看，比亞迪從內(nèi)部短路、外部短路、過(guò)充、碰撞、高壓、連接、危險(xiǎn)氣體七大安全維度，電安全、機(jī)械安全、熱安全、環(huán)境可靠性、氣體可燃性5大方面進(jìn)行安全評(píng)價(jià)驗(yàn)證，從單體、模組、電池包、系統(tǒng)4個(gè)層級(jí)全方位構(gòu)建動(dòng)力電池的超級(jí)安全體系。

而在電池包的強(qiáng)度方面，長(zhǎng)96厘米、寬9厘米、高1.35厘米的單體電池，通過(guò)陣列的方式排布在一起，就像“刀片”一樣插入到電池包里面，形成類(lèi)似蜂窩鋁板的結(jié)構(gòu)。由于電池的去模組和無(wú)梁化結(jié)構(gòu)，大大提升了電池包的強(qiáng)度，使之成為一個(gè)剛性整體。據(jù)了解，刀片電池能夠承受80赫茲的振動(dòng)強(qiáng)度、60g碰撞加速度、800kN的擠壓強(qiáng)度和445kN的抗壓強(qiáng)度。

目前，搭載了刀片電池的比亞迪“漢”能實(shí)現(xiàn)600公里的續(xù)航。孫華軍還表示，未來(lái)通過(guò)材料的創(chuàng)新升級(jí)，續(xù)航可達(dá)到700到800公里?！耙?yàn)榈镀姵啬軌虼蟠鬁p少三元鋰電池因電池安全和強(qiáng)度不夠而增加的結(jié)構(gòu)件，從而減少車(chē)輛的重量，所以我們的單體能量密度雖然沒(méi)有比三元鋰高，但是能夠達(dá)到主流三元鋰電池同等的續(xù)航能力?！睂O華軍解釋道。

比亞迪漢EV

至于在行業(yè)關(guān)心的低溫問(wèn)題上，刀片電池也有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。孫華軍表示，低溫高電量的充電功率下，刀片電池高于三元電池。而低溫低電量的充電功率下，刀片電池低于三元電池，但可以滿(mǎn)足需求。刀片電池低溫放電能力可以維持在常溫的90%，低溫下的放電功率刀片電池依然優(yōu)于三元電池。

在使用壽命上，刀片電池的存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命均優(yōu)于三元鋰電池，可以保證長(zhǎng)的8年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的使用，50萬(wàn)公里甚至100萬(wàn)公里更長(zhǎng)里程的使用。

此外，刀片電池33分鐘可將電量從10%充到80%、支持漢3.9秒百公里加速、瞬間最大功率可達(dá)363kW，約500馬力。

憑借著刀片電池的六大性能，刀片電池極有可能為動(dòng)力電池行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)革命，實(shí)現(xiàn)能量密度與安全的兼得。

動(dòng)力電池的未來(lái)

至此，刀片電池的橫空出世，或許會(huì)讓磷酸鐵鋰電池重新成為行業(yè)的“寵兒”。

但正如電池行業(yè)所言：研發(fā)一代，儲(chǔ)備一代，應(yīng)用一代。動(dòng)力電池行業(yè)的研發(fā)與話(huà)語(yǔ)權(quán)爭(zhēng)奪不會(huì)休止。

有業(yè)內(nèi)人士提出，既然刀片電池的無(wú)梁化與去模組結(jié)構(gòu)能夠帶來(lái)極大安全，那么如果將三元鋰電池做成刀片電池，電池會(huì)否有更大的提升？

對(duì)此孫華軍回應(yīng)道：“刀片電池是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，其他材料體系是不是也有可能（采用這個(gè)結(jié)構(gòu)），我們的回答是有可能，但核心要看整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)對(duì)于里程的需求。因?yàn)槿姵睾土姿徼F鋰兩個(gè)體系各有優(yōu)缺點(diǎn)，三元電池做成“刀片電池”可能體積能量密度更高?！倍芰棵芏鹊奶嵘裏o(wú)疑更加能夠緩解市場(chǎng)的里程焦慮。

而在電池的材料創(chuàng)新上，固態(tài)電池、無(wú)鈷化（或者高鎳低鈷）的三元鋰電池也被行業(yè)寄予厚望。

但孫華軍表示，前者目前更多是停留在研究層面，未來(lái)是一個(gè)發(fā)展方向，但可能還需要10左右的時(shí)間；至于后者無(wú)鈷化電池，也存在著鈷含量低而導(dǎo)致電池材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的可能，目前也還沒(méi)有真正的產(chǎn)品表現(xiàn)。

值得一提的是，特斯拉馬斯克的“電池日”也有著電池?zé)o鈷化的傳聞。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群也曾透露，公司有自己的“無(wú)鈷”電池技術(shù)儲(chǔ)備，目前研發(fā)進(jìn)展順利。

可見(jiàn)，在動(dòng)力電池的軍備競(jìng)賽中，各家都還在暗自較勁。但在電池材料創(chuàng)新帶來(lái)的顛覆性革命之前，比亞迪的刀片電池或?qū)⒅匦聻榱姿徼F鋰電池正名，領(lǐng)跑動(dòng)力電池新風(fēng)口。

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