能否破解動力電池“高能但不安全”難題？

甄文媛

四元能否比三元更安全？

如何實現(xiàn)純電動汽車長續(xù)航里程與高安全性的平衡一直是困擾整車廠和電池企業(yè)的一大難題。在目前技術(shù)沒有取得更大突破的情況下，材料與生產(chǎn)工藝成為產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)在現(xiàn)有體系基礎(chǔ)上不斷探尋的突破口。

從材料角度看，目前國內(nèi)主流車型裝配的動力電池以磷酸鐵鋰和三元電池（NCM）為主。其中三元電池（NCM）以更突出的能量密度等優(yōu)勢，近年來成為多數(shù)純電動乘用車的選擇。為進(jìn)一步挖掘三元電池的能量密度潛力，鎳、鈷、鋰的配比經(jīng)歷了從333、523到811的不斷調(diào)整，高鎳化已經(jīng)成為行業(yè)共同的技術(shù)路線，但如何平衡能量密度提升之后的安全性能，卻是當(dāng)下產(chǎn)業(yè)鏈必須正視的問題。

蜂巢能源的做法是開發(fā)出四元（MCMA）材料，即在電池材料中降低或祛除鈷元素，摻雜第四種元素替代或部份取代原本的鈷元素，這種做法的好處是Mx會使一次顆粒之間的邊界強(qiáng)度增強(qiáng)，因此會減少在有害的相轉(zhuǎn)變過程中微隙的形成。使其循環(huán)性能優(yōu)于NCM811材料，同時能實現(xiàn)耐熱更好、產(chǎn)氣少、安全性更高的特點。最終呈現(xiàn)在動力電池上就是容量更高、壽命更長、安全性更好。其中，產(chǎn)氣少的好處在于，據(jù)消防專家介紹，電動汽車著火后難滅掉的重要原因是容易二次燃燒，自身可產(chǎn)生氧氣繼續(xù)助燃，但這種材料在高溫下的產(chǎn)氣量將降低25%。

據(jù)了解，目前蜂巢能源已經(jīng)率先開發(fā)出四元正極材料，并基于該材料發(fā)布了全球首款四元材料電芯，相關(guān)項目已經(jīng)于2018年9月立項，將在今年年底前完成材料開發(fā)，預(yù)計將于2020年第四季度實現(xiàn)四元材料電芯的SOP。

如何突破生產(chǎn)工藝瓶頸？

要讓使電芯從最根本上實現(xiàn)能量密度更高、循環(huán)性更好、安全性更高，僅僅在材料上改進(jìn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，蜂巢能源把突破口也放在了工藝上。

目前國內(nèi)的車用動力電池主要有軟包電池、圓柱電池和方形電池三種類型，生產(chǎn)工藝以卷繞為主。而疊片工藝由于生產(chǎn)效率低、工藝復(fù)雜度高、品控難度大等瓶頸難以突破，一直以來在應(yīng)用上遠(yuǎn)不及卷繞更廣泛。

但隨著電動汽車對動力電池的要求不斷提高，通過卷繞工藝來達(dá)標(biāo)已經(jīng)越來越困難，在生產(chǎn)的時候面臨諸多不確定性。這時候疊片電池就能發(fā)揮最大的優(yōu)勢。事實上，疊片工藝也有不少優(yōu)點，蜂巢能源國內(nèi)營銷總監(jiān)郝雷明表示，在其他所有體系都不變的情況下，僅僅疊片這一項工藝改變就會帶來五大優(yōu)勢，即它更符合純電動化里航對大模組、大電池的需求，更符合車輛對電池超長使用壽命的需求，更符合移動交通工具對輕量化、長續(xù)航里程的永恒追求，更符合車輛對電池瞬間大功率輸出的需求，更符合車輛對長期安全性和穩(wěn)定性的需求。

在安全性上，《中國車規(guī)級動力高速疊片電池發(fā)展白皮書》指出，卷繞結(jié)構(gòu)的方形電池，在循環(huán)過程中由于隨著膨脹力的增大，在卷繞拐角處內(nèi)應(yīng)力受束縛無法釋放，導(dǎo)致拐角處發(fā)生斷裂，斷裂導(dǎo)致脫粉、毛刺等問題，嚴(yán)重時會造成電池內(nèi)部短路，引起熱失控，電池的危險系數(shù)將增高;疊片工藝使用陶瓷涂布覆蓋僅有的極耳位置裸露集流體，風(fēng)險更低，且疊片電池不存在拐角處受力不均問題，這會大大降低電池在循環(huán)過程中由于應(yīng)力不均而導(dǎo)致的安全風(fēng)險問題。

從具體的實驗測試來看，在存儲安全上，把同等疊片電池和卷繞電池放在常溫和高溫下分別存儲30天，可以看到疊片電池在容量保持率和容量恢復(fù)率方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于卷繞電池，說明其相對更穩(wěn)定。在近幾年的電動汽車起火事件中，有一種情況是電池在存放一段時間后裝車起火，有的甚至在存放時就發(fā)生事故。在過充實驗過程中，疊片電池溫升也要遠(yuǎn)低于卷繞的。

在更安全的基礎(chǔ)上，相對于卷繞電池，疊片電池能量密度增加5%、循環(huán)壽命增加10%、成本減少5%。

要將這種更能適合未來動力電池發(fā)展需要的工藝進(jìn)行普及，效率是必須突破的瓶頸。蜂巢能源科技有限公司總經(jīng)理楊紅新表示：“鋰電池是工業(yè)化產(chǎn)品，對效率的需求就是對成本的需求。傳統(tǒng)的疊片工藝效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于卷繞工藝，市面上常見的疊片效率可以達(dá)1秒到1.2秒/片，但蜂巢能源突破了這個瓶頸。”

據(jù)介紹，蜂巢能源采用了方形鋁殼疊片工藝，設(shè)備技術(shù)選擇行業(yè)領(lǐng)先的高速疊片路線，并聘請了國內(nèi)外資深疊片設(shè)備與工藝專家。疊片電池不僅擁有更高的能量密度和更穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還擁有更高的安全性和更長的循環(huán)壽命。按照蜂巢能源的規(guī)劃，第一代在量產(chǎn)工廠投產(chǎn)的可以實現(xiàn)單工位0.6秒/片，第二代縮短至0.45秒，而第三代僅有0.25秒，并將在明年投產(chǎn)。

楊紅新還透露，目前蜂巢能源的電池能量密度可以做到320kW/kg（樣品），大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品也能做到255—265 kW/kg。

據(jù)了解，CATL、松下、三星SDI、孚能科技、萬向A123、微宏動力等鋰電池行業(yè)新舊勢力都有在2022年之后導(dǎo)入疊片工藝的計劃。而蜂巢能源的動作似乎更快一些，已于今年4月率先發(fā)布了首款車規(guī)級方形疊片電池。

如何提升全方位安全？

雖然疊片工藝生產(chǎn)的電池有諸多好處，但蜂巢能源并不認(rèn)為這就可以解決所有的問題。

“電動汽車的安全是系統(tǒng)工程。應(yīng)當(dāng)以整車應(yīng)用需求的全方位安全為基準(zhǔn)，做系統(tǒng)化的安全設(shè)計，而不僅要求電芯的絕對安全。我們基于材料、生產(chǎn)、工藝、電芯、系統(tǒng)和整車等全面考慮安全性問題。”郝雷明表示，我們希望對這種安全性事故百分之百可控，做到零傷害。

據(jù)介紹，蜂巢能源關(guān)注材料級、電芯級、工藝級等各方面的安全，完全按照ISO6262安全標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，有300多項安全需求，多重主被動的設(shè)計，同步開展機(jī)理設(shè)計和可靠性研究，同時建有安全平臺體系。值得注意的是，蜂巢能源采用了顛覆性的電池系統(tǒng)CTP，將其稱之為極簡系統(tǒng)。第一代CTP可以使零部件的數(shù)量減少24%，即從724個零部件減少到583個。第二代則進(jìn)一步簡化、優(yōu)化它，可以再減少零部件數(shù)量22%，空間利用率提升5%，重量從到374公斤降低到347公斤。在成本上，到2020年第一代CTP可比一般傳統(tǒng)的PACK方案降低0.1元/Wh，即一個50度的電池包可降低5000元成本，使用第二代CTP有望降低1萬元左右。

在安全上，CTP設(shè)置了三重安全防護(hù)，第一個階段控制的是電芯和電芯之間的熱蔓延，降低熱失控的速率，第二個階段主要做小模塊間隔，控制熱失控的范圍，并進(jìn)行定向排氣，消除對其他模塊的干擾，此時由于電量減少，可以對排氣通道進(jìn)行更好的設(shè)計。

蜂巢能源科技有限公司PACK開發(fā)中心總監(jiān)張放南介紹，針對生命周期之內(nèi)電池系統(tǒng)的安全，我們分了三個階段，一是針對電池安全設(shè)計和生產(chǎn)，二是電池的應(yīng)用安全，三是梯次應(yīng)用和回收，三個階段相互制約，只有從三大領(lǐng)域全方面考慮安全，才能真正做到電池系統(tǒng)的安全，而現(xiàn)在大家重點關(guān)注的是電池的應(yīng)用安全，對梯次利用以及回收過程的安全考慮得相對偏少。

針對售后安全和保障，張放南還建議與業(yè)內(nèi)特別是整車廠一起探討未來針對電動汽車的售后保養(yǎng)，尤其是電池的檢測方法、檢測項目、檢測頻次等如何定義、如何實施，建好專門的響應(yīng)機(jī)制和團(tuán)隊。

鏈接：關(guān)于蜂巢能源

蜂巢能源前身是長城汽車動力電池事業(yè)部，自2012年起開展電芯的預(yù)研工作，2018年2月獨立為蜂巢能源，總部位于江蘇無錫，是一家專業(yè)從事汽車動力電池材料、電芯、模組、PACK、BMS、儲能、太陽能研發(fā)和制造的新能源科技公司。蜂巢能源在全球布局了七大研發(fā)中心，目前保定、韓國、上海和印度的研發(fā)中心已經(jīng)投入使用，美國、日本和無錫的研發(fā)中心在建。中國工廠建設(shè)方面，在北部保定現(xiàn)已建設(shè)完成的PACK線，目前已實現(xiàn)量產(chǎn)，在東部江蘇常州工廠處于在建狀態(tài)，于2019年年底實現(xiàn)SOP。在技術(shù)路線選擇上，蜂巢能源創(chuàng)新性地推出方形疊片電池，同時首款量產(chǎn)的產(chǎn)品就采用NCM811材料體系。