有驚無險 聊比亞迪刀片電池針刺試驗

1、實驗樣品和針刺實驗解析

即將使用在比亞迪漢車型上的刀片型磷酸鐵鋰電池（下稱“刀片電池”），通過無模組電池成組方式，提升了電池組的整體能量密度，進一步延長了車輛續航里程，在續航里程上追近了采用三元鋰電池的主流車型。加上目前基于磷酸鐵鋰電池的刀片電池在安全性和抗容量衰減特性上相比三元鋰電池更加有優點，使其重新獲得乘用車消費者的關注。最近比亞迪電池試驗室對刀片電池進行了嚴酷的針刺實驗，作為比較，現場也對一般磷酸鐵鋰和三元鋰電池樣品進行了同樣的實驗。下面就讓我們來看看這三種電池被鋼針刺穿后會發生什么？

●熱失控與針刺實驗

雖然美國國家公路交通安全管理局研究認為，電動車起火概率要低于柴油和汽油發動機車輛，我國消防應急管理部門也表達了類似觀點，但每每出現純電動車自燃的新聞時卻總是能博取到人們的關注。依據新能源汽車國家大數據聯盟數據顯示，去年五月以來出現事故的車輛，以2018年加工的車為主。其中，事故車輛86%為三元鋰電池，7%為磷酸鐵鋰電池，7%不確定。而與電池相關的自燃事故大多與電芯熱失控密切相關。

那么什么是熱失控呢？電池的熱失控是指電池內部化學反應的產熱速率遠高于散熱速率，大量熱量在電池內部積累導致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸。

最新的強制性國標相較于2015版本有分明的變化，除了對2015版國標的已有項目進行修訂外，還取消了模組級別安全實驗、電芯針刺實驗、電芯跌落實驗、電芯低氣壓實驗、電芯海水浸泡實驗、電池組跌落實驗以及電池組翻轉實驗，新增了電池組的熱擴散實驗和過流保護實驗。在執行層面，由于新國標尚未正式推行，目前公司可以選擇性執行新國標規定的過充和熱擴散實驗，2015版國標強制要求的針刺實驗今朝也作為可選項目由公司選擇性執行。

●實驗樣品有哪些？

此次針刺實驗除了有比亞迪最新的刀片電池外，作為比較，我們也找來一般磷酸鐵鋰電池、NCM622三元鋰電池（正極材料中的鎳鈷錳三種成分的比例為6:2:2）進行實驗。我們要看看這三種電池在嚴酷的針刺實驗下，都有如何的表現。

此次針刺實驗的電池樣品都是比亞迪加工的車用動力鋰電池電芯，電芯單體容量都在100Ah以上。從上圖可以看出，一般磷酸鐵鋰電池和NCM622三元鋰電池在外形和結構設計上沒有太大的差別；刀片電池則與上述兩者差別分明，其正負極分別布置在電池長度方向的兩端。

●刀片電池有哪些黑科技？

既然今天針刺實驗的主角是刀片電池，首先我們就要對它有個大致的知道，究竟比亞迪的刀片電池是相同如何的東西？它在技術上有如何的先進性呢？下面我就來給大家科普一下。

依據此前公布的消息，漢純電動版車型將會搭載重量為549kg、容量為77kWh的電池組。按照刀片電池單體參數來簡單推算一下，該電池組內將集成超過200個刀片電池單體。

比亞迪通過CTP設計把電池組殼體內部的空間利用率由傳統設計方式的40-50%提升至60-80%。設計的更新換代帶來的筆直好處就是在采用原有磷酸鐵鋰電池技術的前提下較大地提升純電動車的續航里程。上面對刀片電池進行了簡單的科普，更具體的技術介紹可參看下面這篇文章的相關解析。

●針刺試驗是怎么做的？

按照GB/T31485-2015的針刺實驗辦法，將電池洋溢電，用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針（此次實驗采用5mm直徑的鋼針），以（25±5）mm/s的速度，從垂直于電池極板的方向貫穿，貫穿位置宜靠近所刺面的幾何中心，鋼針停留在電池中，觀察1小時，不起火、不爆炸才算合格。

單個電池熱失控時，其外殼溫度越高，電池間的熱擴散會越迅速，這意味著臨近的電池也會更快地升溫而相繼觸發熱失控，導致電池組的安全系數下降。試驗中的雞蛋倘若很快地被煎熟，說明電池在受到針刺時出現分明的熱失控導致電池溫度急劇上升。

2、實驗結果介紹

●試驗結果究竟咋樣？

此次針刺實驗是在比亞迪的電池試驗室內進行的，由于試驗室保密和安全原由，我們不能拍攝電池針刺的過程，所以通過官方采用試驗室專用的監控攝像頭拍攝的視頻進行講解。

◆三元鋰電池

首先，我們要做的是NCM622三元鋰電池的針刺實驗，這相信也是各位觀眾老爺們最為關心的環節，因為目前國內很大一部分純電動車采用的就是三元鋰電池。對三元鋰電池有一定知道的朋友應當會知道，車用的三元鋰電池是比較難通過針刺實驗的，只要針刺觸發了內部短路，電池便會馬上發生熱失控，下面我們用實驗來看看三元鋰電池在針刺實驗中到底會有如何的反應？

從試驗現象我們可以知道到，當鋼針刺穿電池導致三元鋰電池內部短路后，極高的升溫速率會使三元正極材料快速達到200攝氏度左右的分析溫度，三元正極材料高速分析出現大量的游離態氧，這些游離態氧會進一步新增各種化學反應的產熱量，提高電池內部升溫速率，同時也使電池內部壓力迅速上升。迅速攀升的電池內部壓力很快推開了泄壓閥，內部高壓電解液噴薄而出，外部空氣此時進入到電池內部，清新的空氣+極高的溫度+殘留在電池內部的可燃電解液，爆炸起火便一觸即發。

◆一般磷酸鐵鋰電池

接下來我們換一般磷酸鐵鋰電池上場。鋼針從電池中央穿透其內部極板。在鋼針穿透電池后，電池電壓開始下降，電池外殼有一定程度的鼓脹，顯示內部短路導致電池內部壓力迅速上升，隨后泄壓閥打開，電池內部高壓電解液噴出，之后電壓迅速下降的同時，電池外殼溫度迅速攀升，最高達到239攝氏度。隨著電池內容物通過泄壓閥悉數噴出，電池外殼溫度開始慢慢回落直至觀察期結束。打在穿孔位置附近的雞蛋已被高溫殼體煎熟了，聲明實驗過程中電池外殼溫度較高。

磷酸鐵鋰電池熱失控反應之所以沒有三元鋰電池劇烈，緊要是因為其正極材料分析溫度在500攝氏度以上，熱失控溫度相比三元鋰電池更高，其熱失控風險相對較低。此外，磷酸鐵鋰電池正極分析（觸發熱失控的一個主因）時出現的氧氣量較少，限制了電池內部壓力新增（限制了電池外殼鼓漲）及溫度升高，這一方面能夠戒備電池內部壓力過大發生爆炸，另一方面也一定程度地限制了易燃電解液發生燃燒的可能性。磷酸鐵鋰在熱失控探測中，其升溫速率相比三元鋰電池要低得多，這也是其安全系數較高的緊要特性之一。

從試驗現象我們可以看出，利用針刺來觸發一般磷酸鐵鋰電池內部短路會導致其發生熱失控。一般磷酸鐵鋰電池熱失控后會導致電池內部溫度和壓力迅速上升，導致電池外殼出現一定程度鼓脹并觸發泄壓閥打開（泄壓閥開啟時伴隨著一定的聲響，但這并非爆炸）。雖然視頻的效果看上去很驚險，但在整個實驗過程中，電池沒有發生起火和爆炸，安全性還是值得肯定的。值得一提的是，泄壓閥是一種熱失控保護措施，它在本次實驗中熱失控發生時適時打開，證明這種措施是行之有效的。

◆刀片電池

我們最后探測的是刀片電池。鋼針從刀片電池中央穿透其極板后，電池電壓下降和表面溫度上升都非常輕微，穿刺位置沒有火花、煙霧或電解液噴出，電池殼體也沒有出現鼓脹。穿刺后的一小時內，被穿刺刀片電池的電壓和表面溫度都非常穩定，打在穿孔位置附近的雞蛋沒有任何要被煎熟的趨勢。

看到這里，可能有些買了搭載三元鋰電池純電動車的朋友開始坐不住了，是否要換一臺搭載磷酸鐵鋰電池的車型更安全呢？且慢，上述實驗是電池單體的零部件安全實驗，雖然三元鋰電池單體安全系數較低，但通過電池組結構設計優化以及電池管理系統的嚴格監控，是能夠提升該類型電池在電池組級別的安全系數的，請各位持續往下看。

●要怎么樣保證搭載三元鋰電池車輛的使用安全

從車輛使用安全的角度出發，新國標新增了熱擴散實驗，要求電池組或電池單體發生熱失控引起熱擴散，進而導致乘員艙發生危險之前5分鐘，為乘員供應一個預先警告信號，提醒乘員疏散。熱擴散實驗的目的就是為了提升電動車在使用層面的安全性，保證使用者的人身安全。

有朋友會問，都熱失控了才報警，這還來得及嗎？要回答這個問題，我們就要先來知道一下電池組的結構。電動車電池組內部是有數十到數千個不等的電池單體組成的，其中一個電池單體發生熱失控一般是不會立即觸發臨近電池單體的熱失控。所以電池組要真的燃燒起來，達到損害人身安全的程度，其實是有一個過程的。三元鋰電池雖然熱失控安全系數相對較低，但是通過電池單體泄壓閥設計，在電池單體間新增隔熱絕緣材料是能夠有效阻止熱擴散，可減慢或者戒備其他電池單體發生熱失控，延長乘員逃生時間的。

由于針刺并非常規的電池失效模式，電動車在日常使用中，其電池組或電池單體極難遇到被針刺的情況。而在嚴重碰撞事故中導致電池單體變形從而引發熱失控則是較為常見的失效模式，通過增強電池組及周邊保護結構的強度，能夠較好地戒備電池單體因受壓變形而觸發熱失控。

總而言之，搭載在目前量產車型上的三元鋰電池雖然其單體安全系數較低，但通過電池組和電池管理系統的優化設計是能夠提升這種電池技術在使用層面上的安全性的，目前國標的基礎要求還是比較嚴格的，所以消費者無需談三元鋰電池色變。

就目前國內的技術水平來看，安全指標一定程度限制了三元鋰電池組整體能量密度的進一步提升，而較低的單體能量密度則限制著磷酸鐵鋰電池或刀片電池組整體能量密度的提升。相比起來，磷酸鐵鋰電池或刀片電池組在將來幾年通過電池技術優化以及采用無模組電池組設計優化，電池組整體能量密度的提升空間較大，或能追平受到安全指標制約的三元鋰電池組。

●編輯總結：

三元鋰電池單體的熱失控安全系數較低，但通過增強電池組殼體的強度，完善電池管理系統對熱失控的測試和提前預警機制，利用隔熱絕緣材料降低熱擴散速率等都能有效地加強電池組的整體安全系數，以滿足國標對車用動力鋰電池的安全性要求，提升其使用層面的安全性。磷酸鐵鋰電池/刀片電池能量密度相對較低，但其熱失控安全系數比三元鋰電池高不少，這有利于使用無模組設計來進一步提升電池組整體能量密度，新增電動車的續航里程，從而在安全性和續航上實現更好的平衡。（圖/文/攝/汽車之家常慶林）

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