動力電池的針刺試驗

Q我是電動汽車的銷售員，最近有幾位車主購車時問到關于動力電池發生碰撞所涉及的安全問題，以及三元鋰、磷酸鐵鋰和刀片電池“針刺試驗”的相關問題，我感到難以全面回答。請教汪老師，電池“針刺試驗”是怎么回事？如何評價動力電池的性能？

廣東讀者：樊頗崗

A電動車動力電池的安全問題，曾給深圳人留下了極為深刻的記憶。2012年5月的一個深夜，深圳市濱海路上一輛正常行駛的比亞迪電動出租車，被另一輛時速超過190km/h的汽車猛烈撞擊，當場引起二次碰撞，發生火災，造成包括駕駛員和乘客在內三人同時死亡。第二天，謠傳比亞迪的磷酸鐵鋰電池爆炸，引起比亞迪股價大跌，比亞迪瞬間虧損四十多億。

動力電池的安全性能，顯然是廣大車主最為關注的。當前電動車上使用最多的兩種電池均是鋰電池，分別是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。全面評價動力電池的性能，主要集中在安全、能量密度和使用壽命等方面。由于電池材質和結構的差異，相對來說，磷酸鐵鋰電池的熱穩定性好，最安全，而且使用壽命更長，成本也更低。而三元鋰電池的突出優點是能量密度大，實車電池包比磷酸鐵鋰電池輕150kg。電池輕量化使車輛續航里程大幅提升，可以達到800km的水平，這也是三元鋰電池深受車友歡迎的主要原因。

三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，各有長處和短處，究竟哪種電池更優？目前業界尚無定論，這也是促使電池進步的動力。“針刺試驗”是模擬車輛發生嚴重事故時，尖銳金屬一旦刺穿電芯，引起電池熱失控后反應的試驗，屬于最嚴苛的電池安全測試（圖3）。

圖3 電池針剌試驗的裝置

電池的針刺試驗，簡單來說是將充滿電的電池平置，用鋼針垂直打入電芯中，保持5s時間，針體造成電池內物質的短路，電能迅速轉化為熱能，造成瞬間放電，能量集中釋放和爆發(圖4)。測試表明：在針刺試驗中，有70%的鋰電池能量在1min內釋放，導致極短時間內溫度急劇上升，電池可能發生冒煙和漏液現象，繼而引發連鎖反應導致熱失控，甚至引起爆炸和火災等嚴重安全事故。

圖4 針剌引起短路電流示意圖

有專業廠家的相關人士對電池針刺試驗有不同看法，認為電池包外有堅固的金屬防護，針刺破壞不可能到達電芯內部。官方也于2017年發布相關規定，針刺試驗被列為暫不執行項目。但是，隨著我國電動車的技術進步與迅猛發展，考慮到電池安全事故主要是發生熱失控，針刺實驗是模擬熱失控誘因的一種非常嚴酷的有效測試。所以2020年，官方發布電動汽車的強制性2020-GB30381標準，又將針刺的熱擴散試驗列入其內。

在電池針刺試驗中，曾采用φ8mm的鋼針、銅針和塑料針做穿刺。結論是銅針導致電池內發生嚴重短路，電壓降的速率很快，不到2h就會基本放完電，針刺點的溫度在150℃左右。采用鋼針做穿刺，有的16h仍未完全放電。而塑料針造成的短路極微弱，甚至觀察不到內短路現象，溫度亦低于50℃。針刺試驗中的針徑有φ2mm、φ3mm、φ8mm和φ10mm等數種，測試表明，采用粗針大多放電速率快，但有時細針放電更快，證明針徑對短路的影響并不大。針刺的速率較快時，引起短路電流，易將金屬針的尖端融化，往往使電池內短路出現斷開現象，反而會降低放電速率。圖5所示為針刺試驗的電壓降與時間的關系。

圖5 針刺試驗的電壓降與時間關系

專業的針刺試驗曾在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和刀片電池等三種不同動力電池上做對比測試，結論是三元鋰電池發生劇烈燃燒，表面溫度超過500℃；磷酸鐵鋰電池產生大量煙霧，但電池即使丟在火里也不燃燒，沒有明火，溫度為200～400℃；表現最好的是刀片電池，散熱極快，針刺測試既沒有明火也無煙霧，表面溫度不到60℃，甚至“連雞蛋都烤不熟”。

刀片電池屬磷酸鐵鋰技術的創新，電池包組成時跳過“模組”，由電芯直接構成，大幅提高了電池的體積利用率，電池能量密度幾乎接近三元鋰電池水平(圖6)。刀片電池的續航里程比磷酸鐵鋰電池提升50%以上，針刺試驗表明刀片電池可杜絕燃爆現象，具有安全可靠、行駛壽命長、續航里程長等特點，其優勢是十分明顯的。

圖6 刀片電池的外形