“針刺實驗”背后是電池技術路線之爭

近期一段時間內,一場動力電池“針刺實驗”讓BYD和CATL進行了多次互懟。外行看熱鬧,內行看門道,大家關注的焦點也再一次回到了電動車鋰電池的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的路線紛爭,孰強孰弱,且聽我來慢慢道來。

動力電池性能指標需要滿足
儲能密度、循環壽命、充電速度、抗高低溫安全性五個維度,同時還要滿足制造成本等,磷酸鐵鋰和三元鋰電脫穎而出,分別成為客車和乘用車市場的絕對主力。

首先,在能量密度上,三元鋰電的標稱電壓范圍為3.6~4.3V,相較于磷酸鐵鋰3.2-3.3V較高。并且,三元鋰電能量密度已經突破300WH/kg,而磷酸鐵鋰電池仍較難突破200WH/kg大關。

在使用環境方面,三元鋰電池低溫限值為-30°,相比磷酸鐵鋰電池-20°更有優勢,同時在相同低溫條件下,三元鋰電池冬季衰減不到15%,明顯高于磷酸鐵鋰電池衰減高達30%以上,更加符合我國電動汽車用戶的使用環境。但是,磷酸鐵鋰電池的熱失控溫度普遍在500°以上,這遠比三元鋰電池低于300°的參數,更為安全。

在循環次數和制造成本之間,數據顯示,磷酸鐵鋰電池充放電循環次數大于3500次后才會開始衰減,而三元鋰電池充放電循環次數則僅為2000次。同時,因為磷酸鐵鋰電池生產制造并不涉及貴重金屬,其生產成本較低,反觀三元鋰電池則因為采用鈷金屬,其材料價格一直偏高。

綜上所述,
三元鋰電同等單位體積的能量密度比磷酸鐵鋰電池更高,且耐低溫(寒冷地區續航里程更長);磷酸鐵鋰則耐高溫(安全性更好)、循環壽命長、制造成本低,兩者各有優缺點,因此應用領域也有所不同。
磷酸鐵鋰VS三元鋰
單單羅列完兩種電池技術路徑的各項參數還是不夠的,畢竟動力電池企業最終是要將電池組搭載在新能源汽車上,安全性在汽車這一消費品品類就尤為重要。

讓我們回到早前比亞迪和寧德時代的對壘話題之上。3月份比亞迪發布了一段磷磷酸鐵鋰“刀片電池”通過素有電池安全“珠穆朗瑪峰”之稱的針刺實驗的視頻,驗證其在極端狀況下電池的安全性能。

但寧德時代卻認為這是在“濫用”針刺實驗。隨后,因網友“小魚鋰電”對從市場采購寧德時代NCM811和NCM523兩款電池自行進行針刺實驗均出現起火燃燒情況,而不得不也進行了相應針刺實驗。

不過,第一次實驗寧德時代針對整個電池包進行,直接導致鋼針崩斷。第二次實驗顯示,針對NCM523和NCM811電池電芯進行針刺,畫面顯示沒有出現冒煙起火等現象。

根據美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)調查顯示,在自燃率方面,電動車比燃油車出現的理論幾率更低。不過隨著全球汽車產業電動化趨勢,早先一批次的電動汽車卻頻繁出現了自燃事故,例如前兩年頻繁曝出的電動汽車高速充滿后的自燃事故,其中不乏特斯拉、蔚來等知名車企。

多數自燃事故的原因就在于,電池內部化學反應的產熱速率遠高于散熱速率,大量熱量在電池內部積累導致電池溫度急速上升,最終引起電池起火或爆炸。

而動力電池針刺實驗則是被稱為電池實驗界的“珠穆朗瑪峰”。
針刺實驗要求將測試電池為滿電狀態,用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針,從垂直于電池極板正上方的進行貫穿,貫穿點位于貫穿面的幾何中心,當鋼針穿透電池后,工程師通過各項指標觀察電池1小時。如果所測電池沒有發生起火或爆炸則符合實驗的要求。

根據2015版本的強制性國標《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》(GB/T31485-2015)顯示,國標就模組級別安全試驗、電芯針刺試驗、電芯跌落試驗、電芯低氣壓試驗、電芯海水浸泡試驗、電池包跌落試驗以及電池包翻轉試驗。


GBT31485-2015電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法.pdf


而在2019年1月,工信部發布的3項強制標準征求意見稿的通知,其中一項是關于GB《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》。意見稿中GB單體電池的要求,過放、過充、短路、加熱、溫度循環、擠壓,一共五項安全測試,跟GB/T31485-2015的10項測試要求相比,減少了4項。其中,單體電池的針刺要求也在GB里面取消了。也就是說企業可以自行選擇針刺實驗,并不作為強制性實驗項目,詳細參考將于2021年1月1日起開始實施的GB 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求。

GB 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求???????.pdf

“刀片電池”針刺實驗過程為了向外界進一步證明實驗的真實性,界面新聞記者近日在比亞迪弗迪重慶工廠現場觀看了針刺實驗全過程。和早前的實驗結果一樣,三元鋰電池在針刺瞬間,電池包內部出現劇烈的溫度變化,表面溫度迅速攀升至500℃,并發生極端的電池熱失控,導致劇烈冒煙燃燒現象。隨后進行的比亞迪“刀片電池”在穿刺后無明火,無冒煙,電池表面的溫度在30-60℃左右。在靜置一段時間之后也未有明顯冒煙爆燃現象發生。

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