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三元锂电池也能“针刺不起火”

Release time: 2022-08-19 Preview times:

新能源车自燃带来的安全担忧，已成为社会舆论关注的焦点。继去年比亚迪发布磷酸铁锂材料的“刀片电池”技术并通过针刺试验后，如今又一家车企在电池安全技术领域有了新进展。

广汽埃安正式发布了其新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术（以下简称“弹匣电池”），行业首次实现“三元锂电池整包针刺不起火”，攻克了公认的行业难题。同时，与传统三元锂电池相比，该电池在能量密度方面提升9.4%，成本下降10%。

一直以来，因三元锂电池由于材料分子结构活性更高，其安全指标一直是行业公认的痛点和难点。新能源汽车产业链相关企业也都在开展电池安全技术的课题攻关，而“不起火”则是电池安全最重要、也是最难攻克的一座技术堡垒。

此次由中国汽车技术研究中心首席专家、国家电池安全标准起草人之一刘仕强博士团队对广汽“弹匣电池”的针刺热扩散试验，是行业首次通过三元锂电池整包针刺不起火试验，代表着三元锂电池安全性取得了历史性的突破。

何为“针刺试验”？

所谓针刺实验，其全名为“针刺热扩散实验”，就是根据国家强制性标准 GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》的规定，通过针刺触发动力电池热失控的试验方法。

其具体做法是：将动力电池样品电量充电至90%以上，采用直径3-8mm的钢针，以一定的速度垂直于电池极片的方向贯穿样品，在针刺点附近布置温度传感器。样品发生热失控的判定条件为：监测点的温升速率dT/dt≧1℃/s（持续3秒以上），同时电压降超过初始电压的25%（或者监测点温度达到制造商规定的最高温度），观察其内部是否会出现蔓延以及电池包冒烟、自燃、起火等现象，从而测试整个电池包的安全性。02:38

据中汽中心公布的针刺试验视频显示：“热事故信号发出5分钟后，仅出现短暂冒烟，无起火和爆炸现象。静置48小时后，电压降至0V，温度恢复至室温。针刺后只有被刺电芯模块热失控，没有蔓延到其他电芯。打开电池整包Pack，观察内部结构完好。”

三元锂对磷酸铁锂的一次反击

去年3月，比亚迪通过“针刺试验”成功将其刀片电池技术营销出位，也将三元锂和磷酸铁锂两种电池技术路线的竞争带到了了大众视野中。此次广汽埃安官方公布的“弹匣电池”整包针刺试验，可以看作是三元锂电池包在安全性方面的一次“反击”。

比亚迪的“刀片电池”的升级重点在于该电芯可实现无模组，直接集成为电池包（即CTP技术），从而大幅提升集成效率。

为了便于读者直观理解，笔者用手机壳、打火机摆了一个例子：一般电动汽车上搭载的电池包，由“散装”电芯（Cell）组装成为模组（Module），再把模组安装到电池包（Pack）里，形成了“电芯（Cell）-模组（Module）-电池包（Pack）”的三级装配模式。上图中的打火机就好比是传统18650/21700电芯单体，而手机壳就好比是电池包（Pack）的铝壳。传统的动力电池包由一系列“散装”的电芯单体组成模组，假设一个模组里有20~30颗这样的“散装”电芯单体，然后再由若干模组组成一个电池包。

比亚迪刀片电池的无模组技术，即 Cell to PACK（简称CTP），是把过去的“散装”电芯直接集成为一个大电芯，省去了中间模组环节。以上图为例，图中的手机就好比是比亚迪的刀片电池的大电芯，比亚迪通过CTP结构，将原来20~30个传统18650/21700“散装”电芯单体，做成了一整块大电池。并通过电芯的材料、结构优化，提高了电池组的空间利用率，继而扩大“刀片电池”的体积能量密度。

比亚迪采用磷酸铁锂材料的刀片电池大电芯+CTP技术虽然有着上述优势，但是取消模组环节，也会带来很多风险。CTP 对电芯一致性的要求更高，电芯由于充放电膨胀造成的形变和散热性能变差两个问题，需要在整个电池包层面进行考量。

一旦刀片电池的单个电芯发生故障，就会涉及到更换整个电池包，而不是之前只需更换其中某一个模组，维修成本会大幅增加。

▲方形铝壳电芯单体

而广汽埃安此次发布的弹匣三元锂电池系统与比亚迪的刀片电池（也就是无模组电池），在技术上则存在较大差异，其并未采用CTP大电芯技术，其电池Pack仍由方形铝壳单体构成模组。

▲由方形铝壳电芯单体组成的电池模组

广汽埃安所发布的弹匣电池采用了类似弹匣安全舱的设计，其技术核心原理是：装填动力电池模组的壳体通过耐高温、隔热阻燃的纳米特殊材料制成，对新能源汽车动力电池中的每一块电池包均进行了有效阻隔，相当于给电芯模组包了一层“防火墙”。使得其即便有某一块动力电池包受到外力穿刺发生形变、导致电芯短路发热，也不会由于单个电池包热失控蔓延到其它电池包，从而大大降低了新能源汽车起火的概率。而当其动力电池管理系统（BMS）侦测到电芯电压或温度等出现异常时，会自动启动电池速冷系统为电池降温。

此外，一旦弹匣电池里单个电芯发生故障，也只需更换其中某一个模组，不需要像CTP大电芯一样，更换整个电池包，可以大大降低其维修成本。

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