再议刀片电池

2020-6-25 20:27| 发布者: 南召修电视| 查看: 136| 评论: 0

摘要: 比亚迪刀片电池推出以后，确实在市场上引起了很大反响，其中争议最大的就是宁德时代也搞了针刺实验，这里我们不对比宁德时代和比亚迪的电池技术孰优孰劣，宁德时代也有类似的CTP技术（Cell To Pack，即电芯直接集成 ...

比亚迪刀片电池推出以后，确实在市场上引起了很大反响，其中争议最大的就是宁德时代也搞了针刺实验，这里我们不对比宁德时代和比亚迪的电池技术孰优孰劣，宁德时代也有类似的CTP技术（Cell To Pack，即电芯直接集成到电池包，而非像早期的特斯拉汽车采用的电池组），单从刀片电池结构来讲讲有什么特点。

说到“著名的针刺实验”，有不少人认为只是单一的模拟电动车受到碰撞时的电池损伤情况（挤压、变形、穿刺等）。

其实不然，针刺实验主要还是考验电池内部隔膜破裂时的内部短路情况，毕竟类似电动汽车这种大容量电池在密闭的空间短路起火后，会非常迅速地发生爆炸，灭火装置基本起不到作用。

析锂

图1

正常情况下，锂电池在充电时，锂离子从正极脱嵌并嵌入负极；而在过充、低温或者强电流等非正常情况下，从正极脱嵌的锂离子会在负极出现嵌入异常的情况，锂离子就只能析出在负极表面，我们称之为析锂（见图1）。

如果发生析锂现象，锂离子会在负极表面还原成不同形态的金属锂，其中有一种叫锂枝晶，它会随着析锂现象像树枝一样不断生长，且这一过程不可逆；当锂枝晶长到一定长度时，会穿破正负极间的隔膜，导致电芯的内部短路，极有可能引发热失控乃至爆炸，这是非常的危险的。

这也是针刺实验为什么要模拟电池内部隔膜被锂枝晶穿破的主要原因之一，即发生不安全情况下，如何保障车内乘坐人员的安全问题。

图2

而刀片电池本身采用的是磷酸铁锂电池，其特点是在温度接近500℃时才会开始分解，并且在分解过程中不释放氧气，而三元锂电池（镍钴锰酸锂电池）的这个临界点只有200℃，两者放热速率和放热量也不一样（见图2）。

图3

刀片电池本身也是一种CTP（Cell To Pack，无模组）方案，属于结构创新而非材料创新。CTP技术大幅减少了电池组中的电池模组，将十数个小的模组变成了两个或四个大的模组，从而省去了大量的零部件、连接线和壳体，在相同体积的电池组中容纳了更多电芯，提高了电池组整体的能量密度（见图3）。而比亚迪的刀片电池组由于其电芯本身足够长，通过特殊的设计和组装工艺，可以实现更彻底的无模组化。

首先刀片电池的长度达到了960mm（比亚迪还在研究长度达到2000mm的极片及其封装技术），自然其内部的极片也是这个长度，而其他厂家的电池极片一般都在700mm甚至500mm以下。可见960mm的极片生产工艺还是有一定难度的。

图4

这是比亚迪旗下的弗迪电池工厂专门研制的涂布设备，可以实现1300mm宽度的极片双面涂布，单位面积的涂敷重量小于1%，宽度尺寸偏差小于0.5mm，速度为每分钟70米（见图4）。

图5

在辊压工序方面，弗迪工厂的辊压设备可以实现1200mm宽度的极片辊压，可以将极片厚度差控制在2微米以内，速度为每分钟120米（见图5）。

此外还有叠片工艺，相较卷绕工艺实现了更高的能量密度，但如此长的极片，要保证分切地一致、堆叠时对齐，才能保证生产出的电池拥有良好的一致性。

通过完全独立自主开发的设备和裁切方案，弗迪电池工厂的叠片在960mm宽度的基础上，实现了每分钟200片的叠片速度和小于0.3mm的对齐公差控制。

电芯密度解决了，但是磷酸铁锂的低温特性也是其短板之一，那么刀片电池又是如何解决的呢？

图6

刀片电池组中全部采用了液冷式热管理系统，同时在电芯的上下部分采用了大面积的保温材料，以保证热管理系统可以良好运作（见图6）。在极片材料上，比亚迪采用了纳米化的磷酸铁锂，通过减小材料粒径缩短锂离子的迁移路径，改善了电池组的低温功率性能。

这样刀片电池组在-20℃的环境下，依然可以保持常温90%的放电能力。而在充电时间和充电功率方面，在-10℃时，刀片电池的充电速度要比NCM811型三元锂电池慢15分钟左右，差距要比此前的磷酸铁锂电池改善了很多。

缺点

图7

由于刀片电池也是一种CTP方案，它的电池组内部是由一个个电芯组成的，这些电芯并非直接放置在电池组中的，而是被各种连接件安装、并通过特殊胶水固定的。这种用来固定电芯的胶水可以牢牢地将电芯固定在电池组中，同时起到一定的导热、阻燃和缓冲效果，但反之，电芯被黏在一起之后就很难再拆开（见图7）。

当电池组中的单个电芯出现故障，就要直接更换整个电池组。而传统的模组化电池组，就可以通过更换单个模组来维修，而在刀片电池的电池故障维修中就非常麻烦了。

目前唯一可行性的维修措施是通过超低温来破坏胶的强度，再从CTP电池组内将损坏的电芯取出。不过该维修技术实现还是难度很大、环境要求高、成本高，暂时还难以大规模的应用，只能尽量通过提高电芯一致性、降低单个电芯的故障概率来减少电池组的维修需求。

后记

早在2008年，比亚迪就一直在研究，如何解决电池组长宽比从3:8发展到10:6带来的阻耗问题、电路密度以及快充问题（见图8）。

经过几代的改进，比亚迪才推出了刀片电池1.0版本，其零件数量从1236件减少至756件，体积能量密度和利用率也由原先的40%增长至60%。

图8

目前的技术范围内，刀片电池长度可在600~2000mm之间改变，且与电池包宽度一致，单个刀片电池内，包含多个容纳腔，每一个容纳腔包含一个极芯，容纳腔通过隔板隔开。看上去就如同几个电芯组成一个串联模组（见图9）。基于这种内部多容纳腔与极芯的设计，比亚迪可以通过增减容纳腔的数目，来调节刀片电池长度，灵活多变，几乎覆盖了所有乘用车的电池包宽度尺寸，还支持有模组的电池包以及三元锂电池，能兼容更大型号的车辆和更大续航的车型。同时，封胶技术也在不断探索中，力争后续的刀片电池版本能做到一定程度的维修更换。