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比亚迪宁德时代针刺之争背后:安全策略与技术路线

比亚迪股份副总裁、弗迪电池董事长何龙在刀片电池发布会上直言,针刺测试取消的原因:“三元电池过不了这个测试,那么我们国家就把从强制标准把它拿掉了。” 

在最新版的强制性标准中,针刺测试也确实被删除了。

资料来源:GB 38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求

不过,倒是在对热扩散试验给出的触发热失控的推荐方法中加以保留。

资料来源:GB 38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求

当然,国际上保留针刺测试标准还有不少。 可以看到,SAEJ2464、USABC、FreedomCAR和AIS-048等标准仍然保留了针刺测试。

资料来源:《A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles》2017年,最后一个中国的针刺要求,就是前面提及一已经失效的QC-T_743-2006

不过,在国际上,上述要求针刺的标准大多停留在行业标准层面,不是强制标准。而企业往往根据自身需求设定测试标准。 

在电动汽车安全全球技术法规(UN GTR 20)中也没有列入单体针刺测试。 

可见,电芯针刺测试,已经不是行业普遍要求的测试项目。如果某个电芯在普遍要求的测试中通过,还另外通过了针刺测试,等于加考了一道超纲考题。仅从测试而言,确实属于表现高出一截。 

3、通过针刺测试=安全?

针刺测试的目的是什么?

无论是QC/T743-2006,还是GB/T 31485-2015,都将针刺试验作为单体电池安全性的一个测试,要求测试中不爆炸、不起火。本意就是模拟单体在受到外来物体伤害时,单体电池能保持较高的安全性。 

GB《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿编制说明中提及,中国汽车技术研究中心牵头成立的热扩散专项工作小组开展了大量试验或验证工作,其中就有针刺试验。虽然该试验是为了探究针刺能否触发热失控,但是也可以看到不同电池穿刺后的表现。

热失控特征分析-针刺

资料来源:GB《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿编制说明

从针刺结果看,能量密度较高的三元电池,都在针刺后起火。而磷酸铁锂,以及能量密度和磷酸铁锂相当的三元电池,针刺后只是冒烟或者无现象。

从此看出,比亚迪的刀片电池可以轻松通过针刺,并不意外。磷酸铁锂多数都能通过针刺测试,因为在天生的材料特性上,安全性就是更高一些。 

不过,并不是通过针刺测试,电芯的安全性就没问题了。因为,除了来自外部的伤害,电池内部也可能有安全隐患。 

比如,电池由于锂枝晶生长,隔膜可能会被刺穿,导致电池短路,引发起火乃至爆炸。对于这种内短路问题,目前全行业还没有很好的测试办法。 

不仅有测试不到的隐患,即使通过安全测试标准,产品在使用过程中还是会出现各种各样的事故。 

因为通过安全测试的,只是几个样本,顶多可以代表某一个批次产品的水平。而动力电池最终的安全性,取决于动力电池生产商在大批量生产当中的产品品质和一致性。这是从实验室到量产供应的区别,对于很多动力电池厂来说,是无法跨越的鸿沟。 

可见,即使通过包括针刺在内的全部测试,也不代表使用的电池就真的安全。

4、从电芯安全到系统安全 

对于电动汽车而言,安全是一个系统工程。

TV莱茵全球电力电子产品服务副总裁兼大中华区太阳能与商业产品服务总经理李卫春告诉《电动汽车观察家》,要降低电动车电池安全隐患,除了要尽量保证电芯的安全之外,还需要通过系统性方式来保障安全,比如,双重保护、冗余设计、热失效控制、全生命周期技术参数监控,甚至通过安装防护及消防手段来降低安全风险。 

在电芯层级、模组层级、电池包层级、系统层级都需要有相应的防控措施来降低风险。 

李卫春表示,对于如何提升锂离子电池应用安全,业内现在有两个思考方向:一是继续探索提高电芯的安全性,研发出更安全高效的电芯,将安全隐患尽可能降到最低;另一个就是在系统层面控制热失控及失效的风险。 

《电动汽车观察家》查阅即将实施的GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》看到,控制系统风险的思路就很明确。比如,该标准要求,在单个电池热失控引发扩散,导致乘员舱危险之前5分钟,要提供报警信号。

资料来源:GB 38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求

这是在系统层面给予的最后的安全防线,目的是为乘员预留安全逃生时间。而不是说,单个电池不能热失控,不能热扩散,只是要求要控制热失控和热扩散的速度。 

这与前面提到的UN GTR 20技术法规要求相一致。 

总之,在电动汽车动力电池安全上,行业的主流思路是,从关注电芯,到更为关注系统防护。当然,同样应该强调的是,非常安全的电芯,会为整个系统的安全性提供很好的基础。 

另外,动力电池除了考虑安全性,也必须考虑其他因素,比如充电倍率、低温性能、耗电效率、成本等等。企业只能是在相对安全的基础上,在不同性能之间求平衡,而不可能追求绝对安全。 

5、针刺背后的博弈 

抛开技术,针刺之争的背后,是企业之争,动力电池技术路线之争。

在中国新能源汽车发展的早期,磷酸铁锂是主流动力电池技术路线。代表企业就是比亚迪。比亚迪为磷酸铁锂电池起了一个昵称“铁电池”,并一直主张,铁电池是适合电动汽车的电池。理由之一,就是磷酸铁锂的安全性突出。彼时,比亚迪也是中国最大动力电池供应商。 

但是,自2015年底开始,拗不过三元电池广泛应用于乘用车的大势,比亚迪也开始在乘用车上装载自己的三元电池。到今天,比亚迪几乎所有乘用车产品,采用的都是三元电池。在三元抢占乘用车主流市场期间,宁德时代崛起,逐渐成为第一大动力电池企业。

 比亚迪并没有放弃磷酸铁锂。2020年3月29日,比亚迪高调推出刀片电池,宣告重回磷酸铁锂路线,还要“扭转对三元电池的依赖,将动力电池的技术路线回归正道”。 

此前,比亚迪将电池事业部单独成立公司。目的明显是想扩大对外供货。而刀片电池,是该公司抢占三元电池市场份额的重磅武器。 

此次出招,是比亚迪长期筹划,底气也很足。刀片电池在成组效率和能量密度方面,都有大幅提升。刀片电池的形态配合无模组电池包结构,可以大幅提升体积利用率,电池包的空间利用率提升了50%,可以达到60%以上。质量能量密度方面,刀片电池已经出现成组后能够达140Wh/kg的电池包。 

新的刀片工艺,加上磷酸铁锂电池材料传统的优势——长寿命,高安全,比亚迪誓要用刀片电池重新夺回动力电池市场份额。 

三元电池方面,近几年也在进化。单体主要向高镍方向发展,从333到523,再到622,以及如今的811,能量密度不断提升,但同时高镍带来的不稳定性问题也越来越明显。

电池包层面,三元也有向无模组方向发展趋势,促使电池包能量密度不断提升,续航里程优势更加突出。在长续航乘用车上,三元电池依然是首选。 

不过,刀片电池出现,使得磷酸铁锂电池也可以和三元电池在500-600公里长续航里程车辆上一争高低。 

对于在乘用车三元电池市场占统治地位的宁德时代,刀片电池的横空出世,无疑是大威胁。 

但友商之间的竞争只是商场上“暗流涌动”,唇齿之间的“含沙射影”。直到“小鱼锂电”的搅动,让两大巨头直接升级为正面“口水战”。背后,本质上是宁德时代引领的三元锂电,和比亚迪的磷酸铁锂刀片电池的争斗。 

大巨头暗战之际,中国又迎来电动汽车起火季。5月26日,一辆南京依维柯电动货车,在深圳福田区追尾一辆校车。电动货车起火,驾驶员未能逃生,当场死亡。 

公众依旧很担忧电动汽车安全,电动汽车安全性也确实有待提升。宁德时代和比亚迪——中国前两大动力电池巨头,都有沉沉重担在肩。针刺之争,虽然纷纷扰扰,但是仍属有益,毕竟安全性诉求要放首位。特别是两家都希望走出国门,成为国际车企供应商,更须坦率、直接面对安全性的追问。中国新能源汽车如果曾经有过一块共用的遮羞布,如今是再也用不上了。

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