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“只冒烟、不起火”,欣旺达的三元电池如何能摆脱“起火原罪”?

2020-12-03 16:40
电池中国网
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“起火”犹如一把达摩克利斯之剑,悬于新能源汽车产业的天空。数据显示,今年以来国内仅新能源乘用车就发生约30起自燃起火事件,涉及十多个品牌约20款车型。近期,通用汽车从全球召回近6.9万辆雪佛兰Bolt EV,现代汽车召回近7.7万辆KONA电动汽车,原因都是因为LG化学供应的动力电池存在起火隐患。

不断的自燃起火事件刺激着公众的神经,也把被称为电动汽车心脏的动力电池推上了风口浪尖。为了破除电池包起火的安全魔咒,比亚迪推出了不起火的刀片电池,宁德时代研发出“只冒烟不起火”电池,越来越多的电池厂商加入到不起火电池的研发当中。

只冒烟、不起火电池包

日前,在网络上一段内容为“不起火的欣旺达方案”视频在迅速发酵,引发万千网友关注。该视频展示的是欣旺达惠州基地试验场进行的“加热触发电芯热失控实验”的全过程。在视频中,实验系统中的模组电芯在触发热失控后,现场有烟雾冒出,但并未出现明火。

欣旺达这种“三元电池”是如何做到“不起火”的?

图为视频截图

此后,被触发电芯温度快速升至约600℃达至顶点后,开始逐渐下降。约20分钟后,该电芯温度已从约600℃降至约300℃;同时其周边电芯温度也随之下降。约40分钟后,被触发的电芯温度又下降至约120℃;约50分钟后,该电芯温度已经降至约110℃,未触发第二颗电芯。一个小时后,电芯温度已经下降到100℃以下;67分钟后,电芯温度又下降到60℃。

可以看到,在试验中欣旺达的单个电芯在被触发发生热失控之后,整个电池包只冒烟不起火,整个系统自始至终都保持安全状态。欣旺达电池研究院院长陈斌斌在视频中谈到,对电池系统而言,安全就是不能发生热蔓延,不能因为起火或者是爆炸危害人身安全,或者是财产安全。

“要实现电池产品的安全,我觉得做到两点就够了。第一点是我们要识别出危险的因素,就是我们要很深入地理解电池系统的失效模式;第二点其实就是要对这些失效模式做有效的控制。”陈斌斌表示。

据陈斌斌透露,基于系统化的安全理念,欣旺达构建了五层安全设计模型,从电芯设计、制造、模组、BMS再到PACK系统,严格把控每一个环节,成功创新研发出安全型的电池系统解决方案——“不起火的‘欣旺达方案’”。

让三元电池不起火的材料秘密

众所周知,刀片电池不起火很大程度上是源于磷酸铁锂材料本身的安全属性,宁德时代不起火电池也是在材料上作了改进。可以说,材料是整个电池安全系统的一个根本和基础。

实际上,欣旺达不起火电池也是基于材料构筑的安全堤坝。在视频中,陈斌斌介绍说,在欣旺达的电池安全防护体系中,设计模型中的第一个层次,就是通过优化材料本身的材料安全、热安全和机械安全三个层面,来保证整个电芯的设计安全,并有多达169项专利予以支撑。

“材料的稳定性是电芯安全的基因,我们基于对正极材料的认识,借助第一性原理、计算,然后我们开发出来了更高热稳定性的正极材料。”欣旺达电芯研究院的院长/博士张耀说道,他表示,选择什么样的材料,决定什么样的品质,所以材料的选用是非常重要的。

张耀还谈到,欣旺达还有极片的无机绝缘涂层,有隔离膜的绝缘涂层,这些涂层在电芯滥用情况下面,确保没有内短路的产生。不过,视频中并没有具体透露该电池是何种材料。为此,电池中国网的记者联系到欣旺达相关负责人以一探究竟。

据欣旺达方面介绍称,欣旺达的这款“不起火电芯”是镍5X三元材料体系。我们知道,一般传统上认为,因为材料本身的特性,三元电池带有会引发发生热失控的“原罪”。那么,欣旺达的镍5X三元材料体系又如何能摆脱“原罪”?

对此,张耀向记者介绍说,该电芯采用的高稳定性镍5X三元材料,相比同行的同等能量密度的正极材料,热反应温度提升30℃,整体的反应产热量减少18%,在更高的温度、更高的荷电状态,具有更高的结构稳定性。

陈斌斌进一步解释称,由于采用高电压体系,其产热比其它体系要低。同时它的热稳定性比较高,“就是它的这个热失控的温度,和它这个释氧的温度是比较高的,要高于其它体系30℃以上”。

实际上,除了材料本身的安全与热安全,材料的机械安全保障也很重要。陈斌斌谈到,我们开车的时候,经常发生车底部的刮蹭变形。那么,底部变形到什么程度,里面的电芯还是安全的呢,“我们现在是可以做到底部变形15%以上,电芯还是很安全的这样一个状态”。陈斌斌说。

既然材料是电池安全最基础的一个保证,那么在制造过程中如何来保证材料的这种安全性得到最大发挥?对此,张耀介绍说,欣旺达从电芯的原材料甄选采购,一直到供应出货,整个制造过程,是全流程、全要素地进行品质管控,涉及管控要素多达3000多个,并且在品质防控中间严格执行。

“除了采用行业里面最先进的自动化设备之外,也采用了我们智能制造的生产体系,所以我们可以确保所有过程中间百分之百可追溯。”张耀说。此外,通过先进高精度的工艺设备来进行电芯制造,可以保障电芯的一致性。据介绍,欣旺达的公差可以达到正负0.3毫米,在行业内居于领先地位,“做100万个、1000万个就像1个那么好”。

客观而论,电池安全是系统工程,即便电芯材料安全也并不能保证万无一失。退几步说,如果五层防护体系中的前四层设计都失效了,那么最后怎么保证人身的安全?陈斌斌提到,除了电芯本身之外的材料,在电池的上盖板设计中,欣旺达还采用了一种耐高温的材料,就是假如电芯热失控以后,它还可以防护人身安全。

电池中国网认为,在新能源汽车产业发展过程中,安全问题重于泰山,行业从业者必须牢牢守住底线思维,防范风险于未然。今年工信部组织制定的电动汽车强制性国家标准,特别增加了电池系统热扩散试验,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。

可以说,欣旺达“只冒烟、不起火”电池的问世,正是基于践行“底线思维”的成果,同时证明了电池起火也并非不可破解的魔咒,相信随着材料的创新、技术的进步,新能源汽车行业必能构筑起安全的后盾。

    来源:电池中国网

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