三元鋰電池包的安全新解

文/本刊記者 甄文媛

三元鋰電池安全技術(shù)比拼還在升級(jí)。業(yè)內(nèi)首次三元鋰電池系統(tǒng)針刺不起火試驗(yàn)，交出了一份新答案。

挑戰(zhàn)針刺不起火

一根鋼針檢驗(yàn)了三元鋰電池包的安全新答案。

近日，廣汽埃安正式發(fā)布彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)（簡稱“彈匣電池”），宣告在行業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了三元鋰電池整包針刺不起火。

發(fā)布當(dāng)日，廣汽埃安用視頻全面展現(xiàn)了試驗(yàn)過程。

熱事故信號(hào)發(fā)出5分鐘后，電池包僅有短暫冒煙、無起火和爆炸現(xiàn)象。靜置48小時(shí)后，電壓降至0V，溫度恢復(fù)至室溫……在中國汽車技術(shù)研究中心首席專家、國家電池安全標(biāo)準(zhǔn)起草人之一劉仕強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的針刺熱擴(kuò)散試驗(yàn)中，彈匣電池整包針刺后只有被刺電芯模塊熱失控，沒有蔓延到其他電芯。打開電池整包內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好。

目前純電動(dòng)乘用車上搭載的動(dòng)力電池以磷酸鐵鋰和三元鋰兩種材料為主。在安全性方面，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為磷酸鐵鋰比三元鋰相對(duì)更安全。近年發(fā)生的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池導(dǎo)致的起火事故中，8成以上的事故車輛搭載三元鋰電池。

把電池裝入安全艙

廣汽埃安如何讓三元鋰電池包不起火？

廣汽埃安的研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前電池自燃多由于電芯出現(xiàn)內(nèi)短路，導(dǎo)致溫度升高、電芯內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)熱最終出現(xiàn)熱失控，隨后蔓延到整個(gè)電池包所致。對(duì)此，這款彈匣電池基于“防止電芯內(nèi)短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設(shè)計(jì)思路，采用類似安全艙的設(shè)計(jì)，目的是有效阻隔熱失控電芯的蔓延、當(dāng)偵測(cè)到電芯電壓或溫度等出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電池速冷降溫系統(tǒng)為電池降溫。

在研發(fā)人員看來，電芯安全解決的是電池本質(zhì)安全，而整包安全是以系統(tǒng)思維解決從電芯、模組到系統(tǒng)的全方位安全，相比電芯安全更為重要，也更難實(shí)現(xiàn)。因此，彈匣電池的設(shè)計(jì)既不是純粹結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也不是簡單增加隔熱，而是從電芯本征安全提升、到被動(dòng)安全強(qiáng)化、再到軟件主動(dòng)防控的一整套安全技術(shù)。

4大核心技術(shù)

廣汽埃安通過哪些技術(shù)保障動(dòng)力電池系統(tǒng)安全？

官方資料顯示，彈匣電池具備4大核心技術(shù)：

超高耐熱穩(wěn)定的電芯。電芯通過正極材料的納米級(jí)包覆及摻雜技術(shù)的應(yīng)用，能有效提升熱穩(wěn)定性，防止熱失控；電解液新型添加劑的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了SEI膜的自修復(fù)，改善電芯壽命，降低電芯短路風(fēng)險(xiǎn)；其高安全電解液，通過特殊電解液添加劑在加熱至120℃以上時(shí)，在活性材料表面自發(fā)聚合形成高阻抗特性聚合物膜，大幅降低熱失控反應(yīng)產(chǎn)熱。這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，使電芯的耐熱溫度提升了30%。

超強(qiáng)隔熱的電池安全艙。通過網(wǎng)狀納米孔隔熱材料和耐高溫上殼體，彈匣電池構(gòu)筑了超強(qiáng)隔熱的安全艙，最終實(shí)現(xiàn)三元鋰電芯熱失控不蔓延至相鄰電芯。同時(shí)，電池包上殼體能耐溫1400℃以上，有效保護(hù)電池整包。

極速降溫的速冷系統(tǒng)。通過全貼合液冷系統(tǒng)、高速散熱通道、高精準(zhǔn)的導(dǎo)熱路徑的設(shè)計(jì)，彈匣電池實(shí)現(xiàn)了散熱面積提升40%，散熱效率提升30%，有效防止熱蔓延。

全時(shí)管控的第五代電池管理系統(tǒng)。通過采用車規(guī)級(jí)最新一代電池管理系統(tǒng)芯片，可實(shí)現(xiàn)每秒10次全天候數(shù)據(jù)采集，相比前代系統(tǒng)提升100倍，以24小時(shí)全覆蓋的全時(shí)巡邏模式，對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，立即啟動(dòng)電池速冷系統(tǒng)為電池降溫。

成本竟降10%

層層增加的系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)是否會(huì)大大增加重量和成本？

據(jù)透露，彈匣電池還在冷卻系統(tǒng)、電芯設(shè)計(jì)、整包布置等方面進(jìn)行全面優(yōu)化。搭載彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)的電池包，相對(duì)于同類普通電池包，體積能量密度提升9.4%，重量能量密度提升5.7%，但成本卻下降了10%，在沒有犧牲續(xù)航和提高成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高安全、長續(xù)航、低成本。

按計(jì)劃，“彈匣電池”將從今年開始在AION全系車型上陸續(xù)搭載。近日，廣汽埃安AION Y車型作為搭載彈匣電池的首款車型，已正式公布預(yù)售價(jià)格10.59萬-14.99萬元，續(xù)航里程達(dá)到410-600km。

“不起火”大比拼

近兩年，一系列以“不起火”為首要目標(biāo)的動(dòng)力電池技術(shù)問世，寧德時(shí)代宣布開發(fā)出不起火的811電池，欣旺達(dá)、孚能等也公布了各自的動(dòng)向，比亞迪推出了全新的刀片電池（磷酸鐵鋰），江淮新能源的“蜂窩電池”則建立了從電芯到整車的5層熱失控安全標(biāo)準(zhǔn)。

彈匣電池并非“不起火”的首款電池，之所以引起業(yè)內(nèi)關(guān)注，關(guān)鍵是“針刺試驗(yàn)”，還有“三元鋰”。針刺試驗(yàn)是鋰電池安全測(cè)試中最為嚴(yán)苛的項(xiàng)目，2019年工信部官網(wǎng)發(fā)布的《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》已將電芯針刺試驗(yàn)取消。比亞迪刀片電池電芯仍然挑戰(zhàn)針刺不起火，向各方證明其安全性。

相比之下，刀片電池的正極材料是安全性相對(duì)較好的磷酸鐵鋰，進(jìn)行針刺測(cè)試的是電芯。而彈匣電池用的是三元鋰，做的是整包針刺試驗(yàn)。這也體現(xiàn)出業(yè)內(nèi)針對(duì)電池安全的兩種思路，一種是先讓電芯在極端條件下不起火，系統(tǒng)再加防護(hù)；另一種是通過層層防護(hù)，做到即便偶有電芯起火，不導(dǎo)致整個(gè)電池包著火。

緊隨彈匣電池，嵐圖也公布了一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果：其FREE純電版的三元鋰電池系統(tǒng)通過了中汽中心的熱擴(kuò)散測(cè)試，宣稱是目前國內(nèi)首個(gè)拿到“不冒煙”成績的三元鋰電池。

雖然不是針刺測(cè)試，但有消息稱，嵐圖這一電池系統(tǒng)采用的是高鎳8系電芯，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)最難解決好安全問題的電池。廣汽埃安未在發(fā)布會(huì)上說明采用的哪種電芯，但據(jù)了解是5系，就材料而言是三元鋰電芯中安全穩(wěn)定性相對(duì)較好的一種。業(yè)內(nèi)有專家指出，無論是5系還是8系，目前三元鋰電芯通過針刺測(cè)試幾無可能。

三元鋰電池目前仍是純電動(dòng)乘用車的主流選擇，真正解決好系統(tǒng)安全問題，對(duì)各方都是莫大的好消息。