近期一段時(shí)間內(nèi)，一場(chǎng)動(dòng)力鋰離子電池“針刺試驗(yàn)”讓比亞迪和寧德時(shí)代這兩家頭部動(dòng)力鋰離子電池公司進(jìn)行了多次隔空對(duì)壘。大家關(guān)注的焦點(diǎn)也再一次回到了新能源汽車產(chǎn)業(yè)中避不開的磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池的路線紛爭(zhēng)。

雖然這場(chǎng)爭(zhēng)執(zhí)因針刺試驗(yàn)而起，但在這背后，要怎么樣去提升動(dòng)力鋰離子電池安全才應(yīng)是整個(gè)業(yè)界研討、交流的真正價(jià)值所在。

動(dòng)力鋰離子電池的紛爭(zhēng)

依據(jù)《我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2018）》中，將新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈劃分為四大板塊，其中產(chǎn)業(yè)鏈中上游材料的電池是由“正極”、“負(fù)極”、“隔膜”、“電解液”構(gòu)成，在關(guān)鍵部件一欄中，儲(chǔ)能則為“動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)”。

目前，在政策和市場(chǎng)的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)公司在磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料前驅(qū)體、石墨負(fù)極材料、鈦酸鋰負(fù)極材料、電解液、PP/PE隔膜等動(dòng)力鋰離子電池關(guān)鍵材料方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)頭部公司已經(jīng)近乎完全掌握了化學(xué)電池的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

其中使用最為廣泛的化學(xué)電池技術(shù)中，因?yàn)閯?dòng)力鋰離子電池性能指標(biāo)要滿足儲(chǔ)能密度、循環(huán)壽命、充電速度、抗高低溫柔安全性五個(gè)維度，同時(shí)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(chǎng)的絕對(duì)主力。不過，由此也拉開了磷酸鐵鋰和三元鋰電的“紛爭(zhēng)”。

在性能特性方面，磷酸鐵鋰和三元鋰電并沒有真正意義上差異，也是平分秋毫。

首先，在能量密度上，三元鋰電的標(biāo)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(jīng)沖破300WH/kg，而磷酸鐵鋰離子電池仍較難沖破200WH/kg大關(guān)。

其次，在使用環(huán)境方面，三元鋰離子電池低溫限值為-30°，相比磷酸鐵鋰離子電池-20°更加有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在相同低溫條件下，三元鋰離子電池冬季衰減不到15%，分明高于磷酸鐵鋰離子電池衰減高達(dá)30%以上，更加符合我國(guó)電動(dòng)汽車用戶的使用環(huán)境。但是，磷酸鐵鋰離子電池的熱失控溫度普遍在500°以上，這遠(yuǎn)比三元鋰離子電池低于300°的參數(shù)，更為安全。

在循環(huán)次數(shù)和制造成本之間，數(shù)據(jù)顯示，磷酸鐵鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)大于3500次后才會(huì)開始衰減，而三元鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)則僅為2000次。同時(shí)，因?yàn)榱姿徼F鋰離子電池加工制造并不涉及貴重金屬，其加工成本較低，反觀三元鋰離子電池則因?yàn)椴捎免捊饘伲洳牧蟽r(jià)格一直高企。

簡(jiǎn)而言之，三元鋰電同等單位體積的能量密度比磷酸鐵鋰離子電池更高，且耐低溫（寒冷地區(qū)續(xù)航里程更長(zhǎng)）；磷酸鐵鋰則耐高溫（安全性更好）、循環(huán)壽命長(zhǎng)、制造成本低，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此使用范疇也有所不同。

單單羅列完兩種電池技術(shù)路徑的各項(xiàng)參數(shù)還是不夠的，畢竟動(dòng)力鋰離子電池公司最終是要將電池包搭載在新能源汽車上，安全性在汽車這一消費(fèi)品品類就尤為緊要。

“針刺試驗(yàn)”到底刺什么

讓我們回到早前比亞迪和寧德時(shí)代的對(duì)壘話題之上。三月份比亞迪公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”之稱的針刺試驗(yàn)的視頻，驗(yàn)證其在極端狀況下電池的安全性能。

但寧德時(shí)代卻認(rèn)為這是在“濫用”針刺試驗(yàn)。隨后，因網(wǎng)友“小魚鋰電”對(duì)從市場(chǎng)采購(gòu)寧德時(shí)代NCM811和NCM523兩款電池自行進(jìn)行針刺試驗(yàn)均出現(xiàn)起火燃燒情況，而不得不也進(jìn)行了相應(yīng)針刺試驗(yàn)。

不過，第一次試驗(yàn)寧德時(shí)代針對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行，筆直導(dǎo)致鋼針崩斷。第二次試驗(yàn)顯示，針對(duì)NCM523和NCM811電池電芯進(jìn)行針刺，畫面顯示沒有出現(xiàn)冒煙起火等現(xiàn)象。

依據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）調(diào)查顯示，在自燃率方面，電動(dòng)汽車比燃油車出現(xiàn)的理論幾率更低。不過隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化趨勢(shì)，早先一批次的電動(dòng)汽車卻頻繁出現(xiàn)了自燃事故，例如前兩年頻繁曝出的電動(dòng)汽車高速洋溢后的自燃事故，其中不乏特斯拉、蔚來等知名車企。

多數(shù)自燃事故的原由就在于，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量熱量在電池內(nèi)部積累導(dǎo)致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸。

而動(dòng)力鋰離子電池針刺試驗(yàn)則是被稱為電池試驗(yàn)界的“珠穆朗瑪峰”。針刺試驗(yàn)要求將探測(cè)電池為滿電狀態(tài)，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(jìn)行貫穿，貫穿點(diǎn)位于貫穿面的幾何中心，當(dāng)鋼針穿透電池后，工程師通過各項(xiàng)指標(biāo)觀察電池1小時(shí)。倘若所測(cè)電池沒有發(fā)生起火或爆炸則符合試驗(yàn)的要求。

依據(jù)2015版本的強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》（Gb/T31485-201）顯示，國(guó)標(biāo)就模組級(jí)別安全實(shí)驗(yàn)、電芯針刺實(shí)驗(yàn)、電芯跌落實(shí)驗(yàn)、電芯低氣壓實(shí)驗(yàn)、電芯海水浸泡實(shí)驗(yàn)、電池組跌落實(shí)驗(yàn)以及電池組翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。

而在2019年一月，工信部公布的3項(xiàng)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿的通知，其中一項(xiàng)是有關(guān)Gb《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)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(huán)、擠壓，一共五項(xiàng)安全探測(cè)，跟Gb/T31485-2015的10項(xiàng)探測(cè)要求相比，減少了4項(xiàng)。其中，單體電池的針刺要求也在Gb里面取消了。也就是說公司可以自行選擇針刺試驗(yàn)，并不作為強(qiáng)制性試驗(yàn)項(xiàng)目。

三元鋰離子電池針刺試驗(yàn)過程

“刀片電池”針刺試驗(yàn)過程

為了向外界進(jìn)一步證明試驗(yàn)的真切性，界面新聞?dòng)浾呓赵诒葋喌细サ现貞c廠現(xiàn)場(chǎng)觀看了針刺試驗(yàn)全過程。和早前的試驗(yàn)結(jié)果相同，三元鋰離子電池在針刺瞬間，電池組內(nèi)部出現(xiàn)劇烈的溫度變化，表面溫度迅速攀升至500℃，并發(fā)生極端的電池?zé)崾Э兀瑢?dǎo)致劇烈冒煙燃燒現(xiàn)象。隨后進(jìn)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(shí)間之后也未有分明冒煙爆燃現(xiàn)象發(fā)生。

對(duì)此，比亞迪汽車銷售公司副總經(jīng)理李云飛早前在微博上發(fā)文表示，針刺試驗(yàn)的目的就是為了讓電池內(nèi)部發(fā)生短路，以便在這種情況下看電池的熱安全性。

“刀片電池”要怎么樣誕生的？

實(shí)際上，“刀片電池”是一種采用全新結(jié)構(gòu)的“超級(jí)磷酸鐵鋰離子電池”。界面新聞?dòng)浾卟殚唽＠仲Y料后發(fā)現(xiàn)，“刀片電池”是將磷酸鐵鋰電芯長(zhǎng)度陣列式排封裝在600mm≤第一尺寸≤2500mm的電池組中，通過陣列式排布的大電芯，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”相同堆疊在電池組里面。這種結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)辦法不僅可以有效提高動(dòng)力鋰離子電池組的空間利用率，新增同一單位體積中的能量密度；而且還能保障電池內(nèi)部的熱擴(kuò)散性能，從而達(dá)到安全的目的。

據(jù)比亞迪官方解析，比較傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰離子電池，“刀片電池”的最緊要的升級(jí)便是將電芯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)無模組設(shè)計(jì)，電芯筆直集成為電池組（即CTP技術(shù)），從而大幅提升集成效率。

“刀片電池”通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在成組時(shí)可以跳過“模組”，大幅提高了體積利用率，最終達(dá)成在同樣的空間內(nèi)裝入更多電芯的設(shè)計(jì)目標(biāo)。相較傳統(tǒng)的有模電池組，“刀片電池”的重量比能量密度可達(dá)到180Wh/kg，相比此前有模電池包提升約莫9%，電池在同等體積下能量密度上比傳統(tǒng)鐵電池提升了約50%，而搭載了刀片電池的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航表現(xiàn)可以達(dá)到約600公里，成本還能下降約30%。

對(duì)此，弗迪電池公司副總經(jīng)理孫華軍表示：“因?yàn)榈镀姵啬軌虼蟠鬁p少三元鋰離子電池因電池安全和強(qiáng)度不夠而新增的結(jié)構(gòu)件，從而減少車輛的重量，所以我們的單體能量密度雖然沒有比三元鋰高，但是能夠達(dá)到主流三元鋰離子電池同等的續(xù)航能力。”

在性能方面，孫華軍稱：“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、循環(huán)充放電3000次以上可行駛120萬公里，以及超出業(yè)內(nèi)想象的低溫性能等數(shù)據(jù)表現(xiàn)，也奠定了其全方位碾壓三元鋰離子電池的‘超級(jí)優(yōu)點(diǎn)’。”

在重慶璧山區(qū)的弗迪電池廠內(nèi)，孫華軍在解析“刀片電池”加工工藝時(shí)表示，加工刀片電池最大的難點(diǎn)和亮點(diǎn)，緊要聚集在“八大工藝”。首先將近1米長(zhǎng)的極片，非得實(shí)現(xiàn)公差控制在±0.3mm以內(nèi)、單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。這種疊片采用的是比亞迪完全獨(dú)立自主開發(fā)的設(shè)備和裁切辦法，目前是全球首創(chuàng)。

除疊片之外，刀片電池加工過程中的配料、涂布、輥壓、測(cè)試等其他工藝也要達(dá)到世界優(yōu)秀水平。例如，配料系統(tǒng)的精度在0.2%以內(nèi)；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%；1200mm超大幅寬的輥壓速度可達(dá)120m/min，厚度控制2μm以內(nèi)，確保寬尺寸極片厚度的一致性……

除此以外，弗迪廠內(nèi)部遍布加工車間、工序、條線的高精度傳感器，數(shù)以百計(jì)的機(jī)器人，以及符合IATF16949VDA6.3控制標(biāo)準(zhǔn)的品控體系等等，使得廠房設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，設(shè)備與設(shè)備之間的信息化，控制層面的智能化都是比亞迪有關(guān)“刀片電池”的投入。

動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)格局

事實(shí)上，無論是磷酸鐵鋰或還是三元鋰離子電池本質(zhì)上并非絕對(duì)意義上的天然對(duì)立關(guān)系，而是有著各自優(yōu)缺點(diǎn)的兩種不同技術(shù)路線產(chǎn)物。早期而言，由于磷酸鐵鋰離子電池在續(xù)航里程等方面表現(xiàn)不如三元鋰離子電池，在乘用車市場(chǎng)中三元鋰離子電池裝車量占據(jù)主導(dǎo)地位。

隨著“刀片電池”在各項(xiàng)性能上與三元鋰離子電池相差無幾，將來磷酸鐵鋰離子電池在乘用車市場(chǎng)中的占比得到進(jìn)一步提升將是大概率事件。

六月九日，據(jù)AutomotiveNewsEurope援引知情人士消息稱，比亞迪和捷豹路虎正在洽談動(dòng)力鋰離子電池合作計(jì)劃，一旦雙方達(dá)成合作，比亞迪將在英國(guó)建立首個(gè)歐洲電池加工中心。同時(shí)，該名消息人士還表示，作為合作計(jì)劃的一部分，雙方也在考察是不是要在電驅(qū)動(dòng)技術(shù)開發(fā)方面開展合作。

這也是繼福特、豐田之后，又一家國(guó)外汽車品牌選擇比亞迪在動(dòng)力鋰離子電池方面展開合作。

此外，在工信部公布的最新一批新車申請(qǐng)目錄中顯示，國(guó)產(chǎn)特斯拉Model3接下來也將開始裝配磷酸鐵鋰離子電池。

不過，寧德時(shí)代也沒停歇步伐。其在六月十日宣布，將推出新型長(zhǎng)壽命電池。該款電池采用自修復(fù)長(zhǎng)壽命技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)16年超長(zhǎng)壽命或200萬公里行駛里程，成本較現(xiàn)有電池新增不到10%。

從市場(chǎng)角度而言，有競(jìng)爭(zhēng)才有進(jìn)步，無論是磷酸鐵鋰或還是三元鋰離子電池眼下均還不具有互相革對(duì)方命的基礎(chǔ)。而是基于各自優(yōu)點(diǎn)擁有各自細(xì)分市場(chǎng)，而市場(chǎng)格局則仍然將以兩種技術(shù)路線并存的現(xiàn)狀延續(xù)下去。