弹匣电池详细解析

2020年初,刀片电池横空出世,以直观易懂的电芯针刺试验, 在广大消费者心中植入了电池安全的基本观念:「安全 = 针刺不起火」。

此观点合理吗、全面吗?这就涉及到评价动力电池安全性的两个视角:系统论 vs 电芯论。

一、 电池安全的系统论 vs 电芯论

早在2018年我就提出,动力电池安全性必须从3个层面进行系统性评价[1]:

ü 电芯:正极材料、负极材料、电解液,构成了电芯。

ü 模组→电池包:数百至数千个电芯,组成了模组,进而组成了电池包,俗称Pack。

ü 系统:加上传感器(眼睛与耳朵)测电压、电流、温度;用BMS(大脑)来思考决策;加上执行器(手脚)来控制开关,就成了系统。

为了展开讲电池安全的「系统论」观点,以广汽埃安的「弹匣电池」作为例子是一个很好的选择。

一是因为它遵循了典型的系统整包安全思路,二是最近CCTV与中汽中心等行业权威合办的汽车风云盛典中,唯一的「动力电池科技奖」既没给刀片电池,也没给宁德时代,而是颁给了广汽埃安动力电池技术群(包括弹匣电池技术)。

这引起了大家不小的关注度,还有些许质疑:与刀片电池和宁德时代比,弹匣电池够格吗?

二、 弹匣电池的系统安全

弹匣电池也因构造的形似而以兵器命名,常拿来与刀片电池比较。实际上二者关于电池安全的思路迥异,刀片电池强调电芯安全,而弹匣电池更强调系统整包的安全。

广汽埃安弹匣电池

1. 电芯层面的安全性

一篇经典的博士论文[2]概括了提高电芯安全性的若干思路,例如:

ü 正极材料:对正极材料进行掺杂和包覆[3],或金属原子替代的方式[4]来以提高正极材料的热稳定性。

ü 负极材料:对负极材料进行包覆[5],或通过电解液添加剂提高负极SEI膜的稳定性[6]。以及采用新型负极,如钛酸锂(Li4Ti5O12, LTO)负极[7],合金负极[8]等材料提高负极的安全性能。

ü 电解液:对于电解液采用阻燃添加剂,将液体电解质换成固体聚合物电解质,采用离子液体,电解质盐的替代等方式提高电解液热安全特性,也可以通过在电解液中采用过充保护添加剂来提高电池抗过充的能力。

例如正极材料方面:锂离子电池的正极材料由金属氧化物颗粒构成,在充放电过程中可能会产生纳米尺度上的微裂纹(microcrack)甚至碎裂(fracture),不仅造成容量损失,也会降低热稳定性[10]。

解决思路也简单,有点像咱们家用的不锈钢铁锅的处理方法:一是增加新元素使其成为坚固合金,二是涂上保护层使之不生锈。

锂电池正极材料的两项措施是在纳米尺度上进行的。例如,广汽埃安弹匣电池在纳米尺度上,为正极材料颗粒新添了元素(doping,掺杂)、增加了保护涂层(coating,包覆),从而提高了热稳定性。

再如负极材料方面:大家都知道,电池由正极、负极、电解液三者构成。实际上,负极材料与电解液首次接触时会产生一层必不可少的SEI膜(Solid Electrolyte Interface)。

SEI膜致密、离子导电性较好、稳定性较好,可谓是尽职尽责的「保护膜」。SEI膜一旦老化、分解,不仅会影响充放电性能,也会削弱热稳定性。

特定的电解液添加剂可以修复、增强SEI膜,例如四氟(氟代丙二酸)磷酸锂LFMP添加剂可以使SEI膜中LiF的成分上升,可以更有效地抵御五氟化磷的侵蚀,从而提高了锂电池的热稳定性[8]。

弹匣电池也采用了新型添加剂,以实现SEI膜的自修复[9]:

最后在电解液方面:弹匣电池应用了特殊的添加剂,使活性材料在120℃以上时,表面自发聚合形成高阻抗特性聚合物膜,大幅降低热失控反应产热。

正极材料、负极材料、电解液3个方面的关键技术应用,最终使弹匣电池的电芯耐热温度提升30%。

2. 模组与电池包层面的安全性

不知道大家有没有琢磨过一个问题:电池热失控(Thermal Runaway)听起来文绉绉的,为什么不起一个直白的名字?

比如说,为什么不叫「烧起来」或「失火了」呢?

这是因为,后果惨烈的热失控通常是「千里之堤,毁于蚁穴」的、较为缓慢的渐进过程。在这个渐进过程中,大部分时间都是「可控」的,当超越某个临界点之后,才变得「失控」。

例如,数百个电芯中的其中一个电芯温度偏高,本来不是什么大问题。但是呢,温度一高,电芯里会产生副反应;这些副反应大多是放热的,然后导致温度更高。

温度高 → 副反应 → 温度更高 → 新的副反应 → 温度更高 …… 链式反应到达某个临界点之前,还可以称为是「热堆积」;到达临界点之后,形势就无法逆转,就成了「电芯的热失控」了。

「电芯的热失控」并不可怕,说到底它也就是几包烟大小的小物件嘛,能有多大能耐?但是呢,个别电芯的热失控放出大量热,把周围的电芯也加热到临界温度,也发生了热失控……

做成动画就是这个样子:

扼制热失控蔓延的思路很简单:电芯之间增加隔热措施,降低相邻电芯热堆积速率。例如,岚图琥珀电池的电蒸之间填充了有机硅聚合物+低密度隔热材料+阻燃剂的复合材料,称之为三维隔热墙技术[11]。

弹匣电池使用的是 状纳米孔(nano-porous)隔热材料。这种材料的内部结构极为复杂,导致气体的平均自由程显著缩短、固态物质的导热路径显著增长,综合下来就得到了极低的物质密度和极强的隔热性能[12],非常适合用于电芯之间的隔热。

用 状纳米材料把热给隔下来了后,还得想办法给散掉!

弹匣电池上壳体是可承受1400℃的高耐温材料,所以热量从模组侧面的高精准导热路径传输到下方,以导热结构胶实现与底护板相连实现全贴合设计,经底护板内精心设计的液冷通道实现高效散热。

这样的急速降温三维冷却系统,实现了散热面积提升40%,散热效率提高30%。它与 状纳米孔隔热材料的协同作用下,使弹匣电池发生电芯热失控时的蔓延过程是缓慢而有限的。

3. 系统层面的安全性

弹匣电池在BMS系统层面的安全性重点强调了数据采集的频率与时间覆盖:每秒10次、24小时全时巡逻。

实际上,我觉得主要优势其实在于液冷系统的散热潜力比较强,所以才能给BMS较大的发挥空间。在发生异常情况时(例如单节电芯过热),BMS及时启动速冷系统、调整到最大功率,就可以将热失控的蔓延过程扼杀在萌芽之中。

4. 弹匣电池的研发特点

某种程度上,动力电池安全性研发有点像汽车NVH:增加的隔音降噪材料越多,NVH性能越好,但车子也会更重、成本也会更高。

类似地,电池包里的安全设计越多,整包能量密度也就会越低。弹匣电池在大幅提高电池安全性的同时,却同时做到了:体积能量密度提升9.4%,重量能量密度提升5.7%,成本下降了10%。

我认为这与三个因素有关:

ü 轻量化材料:例如选用 状纳米孔隔热材料,它的突出特点就是物质密度低、隔热能力强。

ü 精细化设计:例如液冷系统利用仿真手段进行了大幅优化,提高散热效率、降低系统重量。

ü 供应商协同:与电芯供应商深度协同,在电芯层面提高安全性,相当于减少了在模组与电池包层面的安全措施 —— 从全局考虑、均衡投入,就可以综合平衡成本、重量等因素。

三、 三元锂的针刺试验

电池安全方面,普通消费者对针刺试验的结果非常看重。实际上,全球锂电池安全性标准中,很少有将电池针刺试验列为强制测试的[13]。即便在这些少数穿刺试验中,试验的有效性也受到广泛的质疑[14]:

ü 与现实情况不符:穿刺试验的现象,与真实发生事故的现象,差别很大。(现在很少有事故可以穿刺到电芯)

ü 不能代表内短路:穿刺导致的后果,不能代表内短路的后果。

ü 试验参数不明确:穿刺物的材料、速度、直径与电池SOC都会大大影响试验结果。

针刺试验虽然不能全面代表电池安全性,但如果能过针刺试验,还是能在一定程度上说明安全性。刀片电池名声大噪,也正是因为它在针刺试验中的优秀表现。

针刺试验方法的具体要求,由强制性国家标准GB38031-2020<电动汽车用动力蓄电池安全要求>的附录C.5.3.3:

是否通过的判别标准由附录C.5.3.6规定:

根据此国标,中汽中心按更严苛的条件(100%SOC、8mm钢针)对三元锂(弹匣电池)整包、磷酸铁锂(普通电池)整包、磷酸铁锂(弹匣电池)整包进行了试验。

试验结果如下:

ü 三元锂弹匣电池整包:出现冒烟(1分钟)、最高温度686.7℃,内部结构完好,未发生热蔓延,无起火和爆炸现象;静置48小时后,被刺单体电压降至0V,温度恢复至室温,无起火和爆炸现象。

ü 磷酸铁锂弹匣电池整包:未冒烟、最高温度51.1℃,无起火和爆炸现象;静置48小时后,单体电压降至0V,温度降为室温。作为对比,普通磷酸铁锂电池的针刺试验出现冒烟(16min),最高温度329.4℃。二者的数据对比差异还是很强烈的。

关于弹匣电池的针刺试验,我的观点如下:

ü 三元锂的首次:弹匣电池可以兼容三元锂与磷酸铁锂电池,北方、长续航用户选三元锂,可以避免冬季续航大幅缩水的难题,南方、标准续航用户选磷酸铁锂,这样更合适。

ü 整包试验合理:GB38031-2020明确规定了「试验对象为整车或电池包或系统」,而不是电芯。从车载动力电池的应用情况来看,以整车或电池包为试验对象是合理的。弹匣电池本身就是从整包的系统角度进行安全设计的,用国标流程来测试很恰当。

ü 内卷是件好事:无论是电芯方面的安全创新,还是系统整包层面的安全创新,车企竞争的最终受益者是广大消费者,所以我们应该鼓励这种「技术内卷」。

实践是检验真理的唯一标准。目前,埃安已全系搭载弹匣电池。据查自2021年以来销量接连走高,累计销量达15万辆,这么大规模的电动车行驶在路上,至今未发生过相关电池安全事故,这说明了弹匣电池安全设计的有效性和领先行业的技术高度。2022年以来,受疫情和芯片短缺的影响,其他品牌都呈现不同程度的下滑,只有埃安保持了23%的高速增长,1-4月销量达到55086辆,同比增长113%,可见市场永远不会说假话。

大家可能注意到了,广汽动力电池技术群包括3项技术:弹匣电池、超倍速电池、海绵硅负极片电池。

这3项技术并不孤立的,分别解决了安全、超充和长续航难点,作为系统安全技术,弹匣电池技术既可以兼容超倍速电池技术,以实现充电5分钟续航200公里;也可以兼容硅负极电池技术,以支撑超1000公里的续航里程。广义上来说,它甚至可以兼容特斯拉4680电池,应用前景十分广阔。

小结

在车用锂离子动力电池出现原理性创新之前,电池安全性必须从系统、电池包、电芯三个层面进行综合评价的基本结论不会发生改变。

广汽弹匣电池正是沿着这种思路出发的系统性安全技术,并具有兼容不同类型锂电池、精细化设计的特点,值得业界重点关注!