比亚迪刀片电池“砍”谁脖子上了?-9彩彩票APP

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2020年1月,在中国100强电动汽车委员会上,比亚迪宣布将于3月推出一款体积能量密度比传统磷酸铁锂电池高50%的“刀片式电池”,并将其应用于全新的比亚迪“韩”汽车,续航里程超过600公里()。

此后,比亚迪的股价连续几天上涨,在网上引起了很多讨论,但并没有引起太大的轰动,尤其是对作者而言,他并没有感到什么特别。

2020年3月底,比亚迪召开了一个关于“刀片式电池”的在线会议,表示传统电池组的利用率在空之间只有40%,而“刀片式电池”的电池组利用率可以达到60%以上,这可以大大提高续航能力。

此外,提高了空之间的利用率,使单体电池为180瓦时/千克的“叶片电池”组装成电池组后的能量密度为140瓦时/千克,从而满足了比亚迪“韩”汽车可携带549千克77瓦时电池组和实现605公里续航能力的要求(NEDC)。

然而,与广泛使用的三元锂电池相比,这不是一个优点,因为目前三元锂电池的单个电池的密度可达到约200-300瓦时/千克,当组装成电池组系统时,约为160-200瓦时/千克。

真正让网民沸腾、网络热的是比亚迪播放的以下三个视频片段:三元锂电池针灸实验、磷酸铁锂电池针灸实验和“刀片电池”针灸实验。

视频播放后,结果很清楚:“刀片电池”通过了“动力电池最严格的针刺测试”。相比之下,三元锂电池燃烧剧烈,磷酸铁锂电池泄漏高压高温气体。

“刀锋电池”的明与暗

比亚迪“刀片电池”针灸测试视频引发了人们对磷酸铁锂电池和三元锂电池的激烈讨论。从技术原理分析开始,一直到相互扭打,由此激起了作者的好奇心并决定做一些研究。

无论争议有多大,都必须找出一些既定的事实,否则就毫无意义。

首先,“刀片电池”是一种磷酸铁锂电池(LFP,磷酸铁锂),是由古德斯沃(2019年诺贝尔化学奖得主之一)首先发明的。1996年,德克萨斯大学代表古德足够实验室向美国申请专利(WO1997040541)。然而,日本NTT公司在1995年于2015年在日本注册专利之前,派了一名研究员冈田协助古德斯沃的研究。关于随后的专利纠纷有很多故事,这里不再重复。

注意:锂电池是锂离子电池。由于各种锂电池的大部分阴极材料是相似的,所以阴极材料被用作命名方法。磷酸铁锂电池的正极是磷酸铁锂化合物。

其次,磷酸铁锂具有“天然”优势。

磷酸铁锂具有良好的循环性能,即长循环寿命。锂电池功率下降的原因有很多,但与正极材料相关的主要原因是在充放电过程中正极材料的结构“晶格塌陷”,导致结构损坏,从而使一些正极材料失活。然而,磷酸铁锂化合物在分子结构上比镍钴锰化合物稳定得多。NCM分子类似于“千层蛋糕”的形状,锂离子在两层之间流动,而LFP分子是“橄榄石”的形状,锂离子在三维结构的空隙中游走。也就是说,即使锂离子“离开”LFP分子结构,剩余的类四氧化二铁结构相对稳定,而NCM相对不稳定。(三元锂电池的循环寿命约为1500~2000次,而磷酸铁锂的循环寿命约为4000次)

(NCM在结构上与NCA相似)

此外,安全性高,磷酸铁锂化合物本身的分解温度约为700-800度,远高于三元锂化合物的200-300度,因此理论安全性更高。此外,当“热失控”发生时,三元锂电池将释放氧气,从而进一步加重反应的严重性。磷酸铁锂化合物中的磷氧键稳定且不易分解,从而防止了氧的形成并避免了链效应。

最重要的是,尽管早期的磷酸铁锂电池由于其结构(形象地说,由于其稳定的结构,锂离子运动的自由度不高)而具有低的充电和放电效率,但是随着碳涂层技术(由法国世界级的锂科学家米歇尔·阿曼德发明,后来与古德斯沃思、米歇尔·阿曼德一起申请了专利)和纳米材料技术,磷酸铁锂电池的充电和放电性能(即功率)并不比三元锂电池差。

最后,磷酸铁锂电池也有“先天性”缺点。

磷酸铁锂电池能量密度低,单节电池的顶端刚刚达到三元锂电池的一般水平。原因是与三元锂相比,容量低(多少Ah),电压低(三元锂大于4V,磷酸铁锂约为3.4V)。能量是容量乘以电压(多少瓦时)。

低温性能差。与-20度时容量约为70%的三元锂相比,磷酸铁锂只有约50%。主要原因仍然在于它的阳极材料的结构,尽管前面提到在这种结构下锂离子的自由度通过碳涂层和纳米材料等技术得到了提高。然而,在低温下,这个问题无法解决。

很难测量荷电状态。由于磷酸铁锂电池放电时电压相对稳定,如果电池管理系统做得不好,很可能会显示仍然有10%的电量,这将在瞬间变为0%。由此引起的问题不仅是用户终端的不便,而且如果不能很好地检测电池单元数据,充电和放电策略就不能很好地管理,从而降低电池寿命,甚至导致由锂枝晶现象引起的短路。

然而,无论是磷酸铁锂还是锂三元,其“天然”的优势和劣势是业界的共识,也是所有研究人员都清楚的。显然,在电动汽车个人市场开放阶段,最大的门槛一直是“耐力焦虑”。如果这个水平不能通过,所有其他的“优势”将会消失。因此,相对安全但容量较低的磷酸铁锂电池一直被城市中的公共交通工具和特种车辆使用(当然,还有许多便携式工具和电器),而客车离磷酸铁锂电池越来越远。

然而,市场上有两个主要因素“期待”磷酸铁锂的回归:一是三元锂电池的核心材料成本不断上升,这使得进一步降低电池成本更加困难;第二,人们要求越来越多的安全,例如,中国保险研究对汽车购买的影响。

解决这一问题的关键在于如何弥补磷酸铁锂的“不足”,突破“耐力焦虑”的门槛。

比亚迪的答案

磷酸铁锂面临的第一个问题是能量密度。然而,单个细胞的能量密度受到材料本身的限制。取得进一步突破并非不可能,但要在短时间内实现是非常困难的。因此,很明显,只有电池组系统的能量密度可以增加,即从电池组结构开始。

电动车所需的电压高达几百伏,所以锂电池基本上是由多个电池串联和并联组成一个模块,然后放入电池组。然而,布线布置、温度控制系统、电池组保护材料、电池组框架结构甚至BMS系统都包括在内。结果,尽管电池单元的能量密度非常高,但是组装到车辆中的电池组的系统能量密度可以大大降低。(电池-模块-电池组)

比亚迪采取了以下策略:

1.通过“展平和拉长”电池芯来增加单体能量总量,从而减少在单位体积内放置多个电池造成的空之间的浪费。

2.由于接触面积大,“扁平长度”电池可以满足稍微简单的温度控制系统的要求,进一步减少空之间的使用。

3.通过在两端布置电池的电极,减少了Z轴空之间的布线麻烦和浪费,并且进一步提高了Z轴空之间的利用率。

有了这套策略,单位电池能量密度不高的“刀片式电池”将敢于通过CTP(电池到电池组)方法与三元锂电池组“竞争”,从而提高系统的能量密度。

虽然从本质上来说,“刀片电池”在电池材料本身并没有取得突破,但从目前整个行业的发展方向来看,这种结构升级不仅是整体趋势,也是目前提高系统密度的最佳解决方案。例如,在宁德时代的CTP结构中,特斯拉从S型的11个模块化电池组到3型的4个模块化电池组。

然而,在这个阶段,“刀片式电池”只解决了“先天性”能量密度问题,而没有解释磷酸铁锂的另外两个“先天性”问题的解决方案。

因此,笔者参观了比亚迪电池厂。

出乎意料,在合理的范围内

比亚迪“刀片电池”由重庆璧山富迪电池公司(2020年3月更名为“比亚迪电池”)制造,成立于1998年。

参观工厂的第一件事就是去现场体验上面提到的三次电池针灸测试。当然,结果仍然是一样的,但略有不同的是,作者能够用自己的眼睛看到整个过程,并根据国家标准的要求,电池状态后一个小时的针灸被保留。

以下重点介绍了“刀片式电池”生产中“堆叠”工艺克服的困难:长尺寸双面涂布工艺和快速层压技术(后者可能涉及未显示的秘密)。

这里增加了一点知识。圆柱形电池采用卷绕工艺,而方形电池采用卷绕和层压工艺。层压过程的困难在于切割、快速层压和后包装,因此从生产的角度来看是困难的,并且成本也不低,特别是对于如此长尺寸的电池。

这给了比亚迪技术上的认可,尤其是相关的生产设备都是自产的。

其次,尽管比亚迪花了大量时间和章节解释“刀片式电池”的安全性,但磷酸铁锂电池的“固有”优势足以支持它完成三元锂电池可以通过的测试(挤压、高温、过度充电和电池组热扩散)。

我所关心的都是低温性能和SoC测量方法,但答案有点“出乎意料”。

首先是低温性能。比亚迪没有具体说明磷酸铁锂通过任何方式实现的低温性能,只是说“材料的性能得到了改善,热量由热量管理”;乍一看,似乎没有想象中的“黑色技术”,但比亚迪给出的官方测试数据相当令人震惊。

在0度和-10度的环境温度下,“刀片电池组”的充电速度略低于NCM811三元锂电池。“刀片式电池组”的充电率在-10度的低功率水平下也低于NCM811,但在低温和高功率水平下高于NCM811。

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最令人惊讶的是,当“刀片式电池组”处于-10度和-20度时,电池组的容量可以保持在90%,并且在低温和低功率下放电功率高于NCM811。

当然,前面提到的充电电源,在碳涂层、纳米材料等技术的支持下,磷酸铁锂的充放电速度不再是劣势。

然而,当我问及“SoC计算和测量方法”时,比亚迪人员表示,“我们已经征服了磷酸铁锂BMS的SoC计算方法,不再是问题”。

答案“出人意料”的原因是比亚迪已经克服了磷酸铁锂所有不可克服的缺点,但获得的具体技术解释有点“合理”。

作者推测,比亚迪可能不愿意向编辑解释太多的技术细节,或者在这种情况下不愿意直接向公众披露“秘密”,但真正的原因尚不清楚。

为了提高磷酸铁锂电池的低温性能,纳米材料的应用、正极材料中导电材料的添加、颗粒球化技术的采用、电解液成分的调整等方法都是不可避免的。至于实际效果是否符合比亚迪的测试结果,我们将在试驾后得知比亚迪“韩”何时量产。

耐力还是安全

事实上,无论比亚迪的“刀片式电池”在公众舆论中引起多大的波澜,它都无法逃脱对消费者最直接的折磨:“生存还是安全。”

请注意,这里提到的安全是相对安全的,而不是绝对安全的。尽管磷酸铁锂电池比三元锂电池更安全,但电动汽车的安全性取决于许多因素,如电池组、电池管理系统、车辆被动安全性等。如果有人说“装有磷酸铁锂电池的电动汽车绝对安全”,这要么是坏的,要么是愚蠢的。

宁德和比亚迪之前的差距是0+0。宁德时代似乎“丢了老婆,丢了军队”,这不仅没能让消费者理解,也让宁德时代背负了“公关愚蠢”的罪名。但事实上,这种对抗让消费者对电动汽车中使用的锂电池有了更深入、更全面的了解。

磷酸铁锂电池比磷酸铁锂电池更安全,磷酸铁锂电池比磷酸铁锂电池具有更高的能量密度。两者之间没有争论的余地。

(磷酸铁锂针刺试验)

磷酸铁锂电池和三元锂电池一样,都可以通过CTP包装成电池组。三元锂电池可以被一些电池组保护,就像磷酸铁锂电池一样。因此,无论争论的哪一方面过于狭隘和有限,目前都是从技术角度来看待这个问题的两个方面:“耐力”和“安全”。

三元锂电池并非不能制成“防针刺”,但如果需要单个电池通过“针刺”实验,必须在电解液、隔膜、电池包装等方面添加保护材料,从而导致能量密度降低和成本增加。军用车辆使用这种电池(GJB4477),但对于电动乘用车来说,巡航里程的损失基本上等于竞争力的损失,成本将会增加。

一种产品只有不断扩大优势,弥补劣势,才会逐渐被市场接受。

对于三元锂电池来说,为了弥补安全性的不足,最好花时间在电池组系统的安全性上,从电池管理系统的主动安全控制,到电池组的内部结构和材料,再到整个电池组外壳的被动安全性。原因很简单。例如,与其试图把人变成绿巨人,不如从汽车整体主动和被动碰撞的安全性开始。

另一方面,磷酸铁锂电池想要弥补能量密度。以目前电池材料的发展水平,最好在空之间优化方式,从而提高整个系统的能量密度。

两者都在扬长避短,但人们衡量电动汽车的标准已经改变。以前,阻碍人们选择电动汽车的最大敌人是“耐力”,但现在,每次500公里和600公里的耐力让人们逐渐消除了这种担心,转而关注其他方面。

这就是为什么如此多的消费者“购买”“刀片式电池”的根本原因,而其安全性能是其核心卖点。

然而,综上所述,使用磷酸铁锂的“刀片式电池”必然会对现有的电动汽车市场产生很大影响,但这并不足以禁止三元锂电池的地位。因为人们对“耐久性”的需求是不同的,而当前的“安全性”与否是在比较的层面上,而不是产品的合格性。因此,这两者将长期共存。

我不得不说,比亚迪的针刺式“刀片式电池”有点“伤害1000个敌人和800个我们自己”的味道,宁德时代的反应并不十分聪明。

然而,毕竟,当行业中存在各种形式的竞争和正面冲突时,这表明市场正在迅速发展,只有这样,最终的受益者才能是消费者。

至于与“刀片式电池”关系密切的比亚迪“韩”,其未来能否在市场上表现出色,销量将会告诉我们一切。

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