文科生也别怕 一文带你看懂比亚迪刀片电池针刺实验
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发布时间：2022-04-21 07:51
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时间：2023-07-02 03:01
本周，比亚迪发布了磷酸铁锂电池、三元锂电池与比亚迪刀片电池做针刺实验的对比视频。网友们都对这个视频非常感兴趣，有人认为，实验结果直接证实了比亚迪刀片电池更加安全，也有人对于实验的过程提出了质疑。今天就基于《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》和大家好好聊聊动力电池安全实验，以及针刺实验究竟难在哪里。
由于看到原视频评论下方有不少朋友反映视频看不懂，这篇文章就把知识点拆分开来，分为以下的几个部分：
1、电池安全的国标测试方法介绍
2、不同电池类型介绍
3、刀片电池参数回顾
4、针刺实验结果解读
5、工程师对于磷酸铁锂电池与三元锂电池的看法
6、总结
目前电池安全的国标测试方法介绍
在国标电池安全要求里电动汽车动力蓄电池单体、电池包或系统导致的危险是指：
——泄漏，可能导致电池系统高压、绝缘失效间接造*员电击、电池系统起火等危险；
——起火，直接烧伤人体；
——爆炸，直接危害人体，包括高温烧伤，冲击波伤害和爆炸碎片伤害等；
——电击，由于电流流过人体而引起的伤害。
所以工业和信息化部专门基于这些危险情况设计了电池安全的国标测试方法。目前国内电动车电池安全的测试还是使用的 2015 版国标，而基于 GB/T 31485—2015 《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》和 GB/T 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第 3 部分：安全性要求与测试方法》制定并升级的标准制定计划已于 2016 年 9 月正式下达，计划编号 20160967- Q-339。
现有的国标电池安全试验项目主要分为：振动试验、机械冲击、模拟碰撞、挤压、温度冲击、湿热循环、海水浸泡、外部火烧、盐雾、高海拔、过流保护、过温保护、短路保护、过充电保护、过放电保护。在新国标尚未正式推行的情况下，新能源车企可以选择性执行新国标规定的过充和热扩散试验，2015 版国标强制要求的针刺试验现在也作为可选项目由企业选择性执行。
试验条件：最新标准中环境温度的要求温度范围为 22℃±5℃，相对湿度为 10%～90%，大气压力定义为 86kPa～106kPa，荷电状态 SOC 由 100% 改为50%。
不同电池类型介绍
了解了电池安全的国标测试方法之后，我们还需要知道不同的电池类型。目前的纯电动车用的动力电池多为锂离子电池，常见的有磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、钛酸锂电池等。锂离子电池的基本结构主要由正极、负极、电解液、隔膜、集流体、电极引线以及壳体等组成。
普通消费者听到最多的主要还是磷酸铁锂电池和三元锂电池。其中三元锂电池主要有 NCM 配比为主的方形电池（常见的有宁德时代 NCM811 电池）、NCA配比的圆柱电池（常见的有松下提供给特斯拉的 21700 电池）和 磷酸铁锂电池，这些叫法其实就是基于电池正极的材质不同。
动力电池正极材料可以分为钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）、三元锂电（镍钴锰酸锂NCM、镍钴铝酸锂NCA）等多种技术路线。负极一般由石墨、石墨烯等碳系负极、钛酸锂等钛系负极或者硅、锡等合金系负极组成。电解液为含有锂盐的有机溶液，是实现锂离子（Li+）流动的载体，一般采用含 LiPF6 的混合溶剂体系。隔膜通常由聚乙烯或者聚丙烯膜构成，起到分隔正负极的作用，并在阻隔自由电子通过的同时提供 Li+来回穿梭的通道。集流体有正负两种分别对应正负极，正极集流体通常为铝，负极集流体通常为铜或镍等。
刀片电池参数回顾
看完上面的解释，不熟悉电池技术的朋友又有疑问了，那比亚迪这个刀片电池又是什么电池？其实刀片电池的正极材料也是磷酸铁锂，只是在刀片电池上多了 CTP 技术，单体电芯的设计。所以在对比测试的实验视频里面，刀片电池看上去和磷酸铁锂电池的样子差异很大。
图片来自：汽车之家
回归本质来说，其实比亚迪的刀片电池依然属于磷酸铁锂电池类目。只是比亚迪刀片电池采用自家研发的长度大于 0.6 米的大电芯，电池单体同样向大容量进化，但电芯形状更加扁平、窄小（长边可以定制变化，单体最大稳定长度可以达到 2100mm），电芯通过堆栈式摆放，就像“刀片”一样插入到电池包里，这也是大家称之为“刀片电池”的原因。最新车型比亚迪汉即将搭载的正是这款“刀片电池”，体积比能量增加 50%，成本下降 30%，续航里程达到 605km。
另外，我们在这里也简单介绍一下 CTP 是什么意思，其实目前一般电动汽车上搭载的电池包，由电芯（Cell）组装成为模组（Mole），再把模组安装到电池包（Pack）里，形成了“电芯（Cell）——模组（Mole）——电池包（Pack）”的*装配模式。而 CTP，即 Cell to PACK，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。既然说是取消模组直接集成到电池包，从而使得比亚迪刀片电池的体积利用率相比老的三元锂电池大幅提升，同时系统能量密度也可以间接提升。
刀片电池的针刺实验解读
内短路条件下的动力电池动态热特性是很多动力电池制造商都非常关注的研究领域。其中内短路区域的大小是影响电池内短路行为的重要因素，电池内部的内短路区域的半径越大，反应释放的热量越高，内短路达到的最高温度也越高。由电池生热机理可知，滥用条件下生成的副反应热是电池生热的一种极端情况，而针刺实验就是基于这样的背景下出现的一种极端测试方法。
针刺实验的过程并不复杂，按照国标中的针刺试验方法规定，需要将电池充满电，用直径为 6-10mm 的耐高温钢针（针尖圆锥角度45°~ 60°），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。
比亚迪发布的视频中，对比针刺试验的电池样品都是比亚迪生产的车用动力电池电芯，三个实验样品分别是普通磷酸铁锂电池和NCM622三元锂离子电池和刀片电池。由于视频里的火光以及实验后三元锂电池的表面高温，引发了网友热议。
实验结果：
NCM622 三元锂离子电池：钢针刺穿电池的瞬间，电池外壳迅速鼓胀，电池泄压阀打开，内部高压电解液喷出，电池发生起火，电池外壳表面温度超过500℃。
普通磷酸铁锂电池：热失控后电池内部温度和压力迅速上升，电池外壳产生一定程度鼓胀，电池泄压阀打开，电池没有发生起火和爆炸，电池外壳表面温度 200℃-400℃。
刀片电池：钢针刺穿电池后，电池电压下降，穿刺位置没有火花、烟雾或电解液喷出，电池壳体也没有出现鼓胀，电池外壳表面温度30℃-60℃。
实验结果为什么差异这么大，首先我们要知道热失控和热扩散分别是什么意思。热失控（thermal runaway）是指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。热扩散 （thermal propagation）是指电池包或系统内由一个电池单体热失控引发的其余电池单体接连发生热失控的现象。针刺实验通过模拟锂离子电池内短路，当金属针以一定的速度缓慢的插入到锂离子电池的内部，从而引起电池内部短路。此时电池的电量都在通过短路点进行释放，这部分热量最终都转换为热能，由于生成的热量无法及时的扩散，从而使的短路点瞬间的温度可达到 1000 ℃ 以上，从而引发热失控。
反应热的数学模型
从化学的角度分析，锂离子电池的电解质中通常含有碳酸酯。碳酸酯在高温下会分解产生氢气和氢自由基，氢自由基将和氧气反应生成羟自由基和氧自由基，而氧自由基又会和氢气反应产生更多的氢自由基，如此循环，不断燃烧。所以一旦发生热失控后果都是非常严重自燃事故。
结合本次的实验视频，三元锂电池在电池内短路时，正极材料分解温度在 200℃ 左右，热失控后生成的热量无法及时的扩散，所以出现热失控后是不可逆的过程。而刀片电池属于磷酸铁锂电池，正极材料分解温度在 500℃ 以上，热失控温度相比三元锂离子电池更高，加上刀片电池单个电芯很薄，电池内短路引起的放热并不明显，并不会出现强烈的热失控。而且刀片电池相比于普通的磷酸铁锂电池，刀片电池外壳的散热面积大，生成的热量可以及时的扩散，所以电池外壳表面温度一直保持在 30℃-60℃。实验过程中，甚至连放置在刀片电池外壳表面的鸡蛋都没有被煎熟。
在视频发布之后，微博评论里有细心的网友发现，刀片电池的那个视频段落里，放置在刀片电池外壳表面的鸡蛋并不是全程都放置在电池上。这个问题厂家并没有进行回复，但是从刀片电池外壳温度的变化数据来看，可能只是剪辑的问题。由于穿刺测试的实验时长需要观察一个小时，不可能把整个过程都记录在这个视频里。对于没有发生严重热失控的刀片电池，可能是在等待的后半段，工程师才把鸡蛋放置到电池表面。如果大家对这个地方存在疑惑，我们也会在后期去到比亚迪工厂，给大家拍摄一次针刺测试全程视频。
针刺测试的通过率极低
其实出现这样的实验结果并不让人意外，在之前的数据里针刺测试的通过率极低，这也是为什么在 2017 年 1 月 17 日发布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》中，GB/T 31485—2015 中的针刺测试为暂不执行项目。起草组调研 IEC 62660-2，IEC 62660- 3 等标准，也未采用来评价电池安全性。
对于未来磷酸铁锂和三元锂的展望
在今年的新能源车推广目录里，我们发现理想用了比亚迪电池、北汽新能源用了宁德时代磷酸铁锂电池，而且未来的国产特斯拉 Model 3 也会使用磷酸铁锂电池。种种迹象似乎表明磷酸铁锂电池有卷土重来的可能，那么三元锂电池会被取代吗？
北汽新能源用了宁德时代磷酸铁锂电
其实我并不这么认为，由于磷酸铁锂电池的能量密度在现有的材料体系结构以及研发技术下难以再有大幅度提升，较难满足电动汽车未来对续航里程不断增长的需求以及国家对动力电池提出的发展规划要求：即 2020 年电池能量密度达到 300Wh/kg，2025 年达到 400 Wh/kg，2030 年达到 500Wh/kg。
2019年主要厂商不同材料类型锂电池装机情况（图片来自：汽车与配件）
在面向普通用户的乘用车特别是主打高续航的纯电动领域，高能量密度的三元锂电池在提升电动汽车续驶里程方面有明显优势，但与磷酸铁锂电池相比，三元锂电池热安全性差，极端滥用条件下容易热失控的性能特点是其在电动汽车上进一步应用推广面临的严峻考验。
推荐车型目录乘用车磷酸铁锂电池占比（图片来自：汽车与配件）
特别是在刀片电池的推出之后，体积能量密度提升，整体的重量以及接近于三元锂电池，能量密度也足以满足大多数家用车的需求。加上轻薄的设计，可以满足不同种类的纯电动的布局需求。
新能源车企工程师看法
基于电池线路的选择，我们也采访了北汽新能源 BEIJING 品牌工程师几个问题，工程师的具体回答如下。
1、部分车企开始重新使用磷酸铁锂电池，以后磷酸铁锂电池是否会成为主流？
十三五期间三元电池快速发展的同时，磷酸铁锂电池的能量密度也有了较大提升，从 2015 年的约 125Wh/kg 提升到了接近 170Wh/kg，部分电芯已经达到了180Wh/kg。得益于磷酸铁锂电芯能量密度约 50% 提升，以及电池系统集成技术的提升，现在同样相同体积下，2015 年只能跑 200km 的车现在也能跑到 300-350km，这一里程范围已经能够满足部分市场需求，再加上相对于三元电池的成本优势加持，使得磷酸铁锂电池在这一市场站稳脚跟。
但是，根据中国信息数据中心公布的数据显示，400km 以上的续航里程，仍然是当前电动汽车绝大多数用户的需求，据此判断，高比能三元电池仍然将会是市场主流需求。
2、预测一下磷酸铁锂和三元锂两种电池方案的未来发展方向？
面对差异化的市场需求，对于长续驶里程的车型仍会采用高能量密度的三元锂电池，而相对于一些仅需要满足其日常里程需求，追求性价比的用户来说，磷酸铁锂电池恰恰是一种更好的选择。因此我认为两者会各自占领其不同的市场份额。未来三元锂电池在发挥高能量密度优势的同时着力于解决自身电池安全不稳定的问题，而磷酸铁锂电池会继续提升能量密度。
3、BEIJING 品牌的车型未来是否会换上磷酸铁锂电池？
北汽新能源为用户提供丰富多样的产品配置，其中会包括磷酸铁锂电池配置的车型。差异化的市场需求带来差异化的产品配置，针对不同的用户群体打造不同产品矩阵。
对于动力电池线路的选择问题，上汽乘用车的工程师也给出了他们的见解。工程师的看法如下：
在电动汽车发展前期，电池包能量密度＜140Wh/kg，这样整车 NEDC 续航里程大多低于 300km。当时影响电动汽车发展的瓶颈在于续航里程，且有国家补贴*支持，可弥补经济性的不足，所以三元锂电池是首选。随着国家新能源补贴*的退坡，大家都面临巨大降本压力。与此同时，磷酸铁锂电池被人诟病的能量密度和充电缺点，也在随着技术的发展得到改善。
? 能量密度方面，随着CTP（Cell to PACK），即是电芯直接集成为电池包技术的成熟，更高效电池包集成、更低整车能耗，磷酸铁锂车型的续航已有能力提升至 400km 甚至 500km 以上。
? 充电方面，随着电芯快充、热管理、充电桩技术的发展，应用于乘用车的磷酸铁锂电池也基本可以做到与现有主流三元相同的快充速率。
? 成本方面，国家补贴*退坡，NCM811 电池虽降低了钴含量降低成本，但工艺复杂，现阶段生产成本较 NCM523 无明显优势。此时成本更低、寿命更长的磷酸铁锂电池，自然被更多车企选择，成为主流趋势。或者说销量占比会很高。
总的来说，今后这两种电池材料将同时存在。据市场端需求定位规划，为用户购车提供了更多的选择，不存在谁替代谁。
1） 磷酸铁锂电池充分发挥其在成本、寿命及安全方面优势主打中低端的车型和运营车，续航里程 ≥400km，也可以达到 500 甚至 600km。
2） 三元依赖于其高的能量密度、更快的快充速度、更长的续航里程，主打中、高端的私人销售端车型，续驶里程 ≥500km，可以达到 600 甚至 700km。
蔚来的工程师也基于这个问题给出了自己的观点
如果铁锂流行，可能意味着以能量密度为基础的补贴*将不再作为车企的追随目标。三元和铁锂各有优缺点，不能简单说铁锂就是将来唯一的方向。
编辑总结?/
一段视频将磷酸铁锂电池和三元锂电池线路之争的话题炒的火热，在与专业工程师沟通之后，我也聊聊我的观点。对于这两种正极材料不同的锂电池，我认为可以当成是互补的关系。就好比是涡轮增压以及机械增压一样，同样是提高发动机的功率，结构的不同的两种技术可以适合不同性格的汽车。而对于新能源车同样如此，磷酸铁锂电池和三元锂电池各有自己的优势，对于不同设计取向的新能源车，同样可以选择最适合的动力电池。而随着电池技术的不断提高，纯电动车的续航、充电速度以及电池耐久度也会迈入新的台阶。
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