能否破解動(dòng)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(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車長(zhǎng)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(méi)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(guó)內(nèi)主流車型裝配的動(dòng)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(shì)，近年來(lái)成為多數(shù)純電動(dòng)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(wèn)題。

蜂巢能源的做法是開(kāi)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(huì)使一次顆粒之間的邊界強(qiáng)度增強(qiáng)，因此會(huì)減少在有害的相轉(zhuǎn)變過(guò)程中微隙的形成。使其循環(huán)性能優(yōu)于NCM811材料，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)耐熱更好、產(chǎn)氣少、安全性更高的特點(diǎn)。最終呈現(xiàn)在動(dòng)力電池上就是容量更高、壽命更長(zhǎng)、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(dòng)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(kāi)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(xiàng)目已經(jīng)于2018年9月立項(xiàng)，將在今年年底前完成材料開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)將于2020年第四季度實(shí)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(shí)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(guó)內(nèi)的車用動(dòng)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(lái)在應(yīng)用上遠(yuǎn)不及卷繞更廣泛。

但隨著電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求不斷提高，通過(guò)卷繞工藝來(lái)達(dá)標(biāo)已經(jīng)越來(lái)越困難，在生產(chǎn)的時(shí)候面臨諸多不確定性。這時(shí)候疊片電池就能發(fā)揮最大的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，疊片工藝也有不少優(yōu)點(diǎn)，蜂巢能源國(guó)內(nèi)營(yíng)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(xiàng)工藝改變就會(huì)帶來(lái)五大優(yōu)勢(shì)，即它更符合純電動(dòng)化里航對(duì)大模組、大電池的需求，更符合車輛對(duì)電池超長(zhǎng)使用壽命的需求，更符合移動(dòng)交通工具對(duì)輕量化、長(zhǎng)續(xù)航里程的永恒追求，更符合車輛對(duì)電池瞬間大功率輸出的需求，更符合車輛對(duì)長(zhǎng)期安全性和穩(wěn)定性的需求。

在安全性上，《中國(guó)車規(guī)級(jí)動(dòng)力高速疊片電池發(fā)展白皮書(shū)》指出，卷繞結(jié)構(gòu)的方形電池，在循環(huán)過(guò)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(wú)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(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電池內(nèi)部短路，引起熱失控，電池的危險(xiǎn)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(xiǎn)更低，且疊片電池不存在拐角處受力不均問(wèn)題，這會(huì)大大降低電池在循環(huán)過(guò)程中由于應(yīng)力不均而導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

從具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)看，在存儲(chǔ)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(chǔ)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(shuō)明其相對(duì)更穩(wěn)定。在近幾年的電動(dòng)汽車起火事件中，有一種情況是電池在存放一段時(shí)間后裝車起火，有的甚至在存放時(shí)就發(fā)生事故。在過(guò)充實(shí)驗(yàn)過(guò)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(duì)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(lái)動(dòng)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?xiàng)罴t新表示：“鋰電池是工業(yè)化產(chǎn)品，對(duì)效率的需求就是對(duì)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(jiàn)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(gè)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(qǐng)了國(guó)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(zhǎng)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(shí)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(wàn)向A123、微宏動(dòng)力等鋰電池行業(yè)新舊勢(shì)力都有在2022年之后導(dǎo)入疊片工藝的計(jì)劃。而蜂巢能源的動(dòng)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(jí)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(wèn)題。

“電動(dòng)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(jì)，而不僅要求電芯的絕對(duì)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(wèn)題。”郝雷明表示，我們希望對(duì)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(jí)、電芯級(jí)、工藝級(jí)等各方面的安全，完全按照ISO6262安全標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，有300多項(xiàng)安全需求，多重主被動(dòng)的設(shè)計(jì)，同步開(kāi)展機(jī)理設(shè)計(jì)和可靠性研究，同時(shí)建有安全平臺(tái)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(jiǎn)系統(tǒng)。第一代CTP可以使零部件的數(shù)量減少24%，即從724個(gè)零部件減少到583個(gè)。第二代則進(jìn)一步簡(jiǎn)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(gè)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(wàn)元左右。

在安全上，CTP設(shè)置了三重安全防護(hù)，第一個(gè)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(gè)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(duì)其他模塊的干擾，此時(shí)由于電量減少，可以對(duì)排氣通道進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。

蜂巢能源科技有限公司PACK開(kāi)發(fā)中心總監(jiān)張放南介紹，針對(duì)生命周期之內(nèi)電池系統(tǒng)的安全，我們分了三個(gè)階段，一是針對(duì)電池安全設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)關(guān)注的是電池的應(yīng)用安全，對(duì)梯次利用以及回收過(guò)程的安全考慮得相對(duì)偏少。

針對(duì)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(lái)針對(duì)電動(dòng)汽車的售后保養(yǎng)，尤其是電池的檢測(cè)方法、檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)頻次等如何定義、如何實(shí)施，建好專門的響應(yīng)機(jī)制和團(tuán)隊(duì)。

鏈接：關(guān)于蜂巢能源

蜂巢能源前身是長(zhǎng)城汽車動(dòng)力電池事業(yè)部，自2012年起開(kāi)展電芯的預(yù)研工作，2018年2月獨(dú)立為蜂巢能源，總部位于江蘇無(wú)錫，是一家專業(yè)從事汽車動(dòng)力電池材料、電芯、模組、PACK、BMS、儲(chǔ)能、太陽(yáng)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(guó)、上海和印度的研發(fā)中心已經(jīng)投入使用，美國(guó)、日本和無(wú)錫的研發(fā)中心在建。中國(guó)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(shí)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(shí)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(shí)首款量產(chǎn)的產(chǎn)品就采用NCM811材料體系。