中國儲能網(wǎng)訊：在三月的最后一個周末，比亞迪朝著動力電池產(chǎn)業(yè)扔下了一顆“深水炸彈”。
3月29日，“電池大王”王傳福，帶著他最得意的作品——刀片電池，重回產(chǎn)業(yè)焦點，叫板三元鋰電池，宣稱要對整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)起一場糾偏運動。
所謂刀片電池，其實是一種對電芯厚度進(jìn)行減薄，長度進(jìn)行加寬后，扁平化設(shè)計的磷酸鐵鋰電池。
比亞迪的相關(guān)專利數(shù)據(jù)顯示，這款電池產(chǎn)品的高度為118mm、厚度為13.5mm、長度則可以在435mm-2500mm之間進(jìn)行定制。因其長而薄的形狀酷似刀片，因此得名刀片電池。
但如果只是對尺寸進(jìn)行了再設(shè)計，那這款電池便稱不上“能夠改變產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品”。
在電池內(nèi)部，比亞迪通過“蜂窩鋁板結(jié)構(gòu)”對電芯的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，使之能夠不依賴電池模組，單獨排列在電池包內(nèi)部。
在省去模組之后，刀片電池在電池包中的空間利用率大幅提升，從傳統(tǒng)電池40%的空間利用率，提高到了60%，這一特性直接讓刀片電池成組后的系統(tǒng)能量密度提升了50%。加上磷酸鐵鋰電池原本在耐用性方面就十分優(yōu)秀，新的電池產(chǎn)品能夠擁有8年120萬公里的循環(huán)壽命，綜合性能直追當(dāng)下先進(jìn)的NCM/NCA 811三元鋰電池。
在安全性方面，比亞迪對刀片電池進(jìn)行了電池安全性驗證最嚴(yán)格的工序——針刺試驗，當(dāng)一般方形電池因鋼針穿刺破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)熱，產(chǎn)氣，甚至發(fā)生爆燃的時候，刀片電池卻仍然能夠維持穩(wěn)定的溫度與電壓。以這種最極端的測試，比亞迪證明了刀片電池優(yōu)秀的安全性能。
伴隨著動力電池在新能源汽車上的應(yīng)用，高能量密度與安全性“魚與熊掌”的矛盾一直以來長期存在，產(chǎn)業(yè)太久沒有看到一款二者可以兼得的產(chǎn)品。
刀片電池的面世，不禁給人以希望，這款產(chǎn)品在一定程度上做到了上述矛盾點的統(tǒng)一。但是，它能夠徹底解決電動汽車?yán)m(xù)航里程與安全性方面的矛盾嗎？這會是開啟汽車電動化下一個時代的鑰匙嗎？
電池安全問題頻發(fā) 引發(fā)消費者信任危機(jī)
自2019年4月開始，頻發(fā)的電動汽車自燃事件挑動著消費者與廠商的神經(jīng)，蔚來、特斯拉、現(xiàn)代、保時捷等國內(nèi)外知名汽車品牌的電動汽車先后中招，引發(fā)了消費者的信任危機(jī)。
去年8月，新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布的《新能源汽車國家監(jiān)管平臺大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報告》顯示，在去年5月-7月期間，共有79輛電動汽車發(fā)生自燃，平均1天就有一輛電動汽車發(fā)生自燃事故。
而這些事故背后的原因，均指向了電池的安全問題。
根據(jù)蔚來事后公布的調(diào)查結(jié)果，蔚來汽車在去年4月-6月期間發(fā)生的三起自燃事故，均是電池存在安全隱患所致。
具體來說，是寧德時代所提供的電池模組結(jié)構(gòu)與電池包箱體產(chǎn)生干涉，電壓采樣線束存在由于個別走向不當(dāng)而被模組上蓋板擠壓的可能性。極端情況下，電壓采樣線束的絕緣材料可能發(fā)生磨損，從而造成短路，存在安全隱患。
這批存在安全問題的電池模組導(dǎo)致蔚來召回了4803輛ES8車型，也令蔚來的品牌形象蒙上了一層陰霾。
特斯拉對于自家車型此前的自燃事件給出的調(diào)查結(jié)果也顯示，其車輛自燃的原因可能是由位于車輛前部的單個電池模組故障引起，認(rèn)為松下所供應(yīng)的動力電池模組存在缺陷。
此外，業(yè)內(nèi)有觀點指出，現(xiàn)代Kona、保時捷Taycan等車型的自燃很大可能也與LG化學(xué)所供應(yīng)的動力電池存在關(guān)聯(lián)。
寧德時代、松下、LG化學(xué)，當(dāng)下動力電池產(chǎn)業(yè)三巨頭，在面對電池安全隱患的問題上，也顯得難以招架。
動力電池產(chǎn)業(yè)的一位資深人士向新智駕透露，動力電池作為化學(xué)產(chǎn)品，而以人類認(rèn)知為基礎(chǔ)的化學(xué)體系是有極限的，這導(dǎo)致動力電池始終存在小概率的安全隱患，以當(dāng)前的技術(shù)情況，這種小概率事件無法完全消除，只能以工程學(xué)的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。
而電池的隱患總體可以分為三大類，一類是環(huán)境高溫，引起電池正負(fù)極的劇烈反應(yīng)，反應(yīng)會向可燃的電解液中示范大量的能量，并析出氧氣，導(dǎo)致電池膨脹、過熱甚至失火；一類則是外部的物理性破壞，導(dǎo)致電池隔膜貫穿，正負(fù)極直接接觸使得電池內(nèi)短路，短時間內(nèi)釋放大量電能（可轉(zhuǎn)換成熱能），導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀蛔詈笠活悇t是電池過充、過放導(dǎo)致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，從而引發(fā)電池的熱失控。
當(dāng)下主流的電池企業(yè)都在從這些方面入手，尋找減少電池安全隱患的可行之道。不同的電池企業(yè)給出了四元鋰電池、固態(tài)電池、無鈷電池等解決方案。而刀片電池，就是比亞迪給出的最硬核的答案了。
刀片電池——電動車的動力革命
比亞迪的刀片電池，本質(zhì)上對現(xiàn)階段的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行了理化結(jié)構(gòu)上的再設(shè)計，在最大限度地保有磷酸鐵鋰電池安全特性的同時，對其系統(tǒng)能量密度進(jìn)行了提升。
從結(jié)構(gòu)上來看，比亞迪將原本方形的磷酸鐵鋰電池做薄，同時大幅延伸了電池的長度。
根據(jù)比亞迪目前掌握的專利信息來看，其電芯的具體尺寸應(yīng)該是高118mm、厚13.5mm、長度在435mm-2500mm之間，可根據(jù)不同的車型進(jìn)行定制。
電芯外部仍是輕量且經(jīng)濟(jì)的鋁制外殼，向里一層是隔離膜袋，內(nèi)部根據(jù)長度不同會有數(shù)量不等的極芯組。在電芯成組方面，比亞迪繞過了一般需要進(jìn)行模組封裝的步驟，選擇直接以電芯的形式集成稱電池包。
比亞迪副總裁、弗迪電池總裁何龍指出，刀片電芯長電池與蜂窩鋁板殼體的保護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成了剛度較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件，電池本身不易發(fā)生形變，而高強(qiáng)度的電池本身可以成為支撐電動汽車底盤結(jié)構(gòu)的梁，提升了底盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
同時，直列式的刀片電池排布，也能夠擴(kuò)大電池組的散熱面積，配合面板式液冷系統(tǒng)，避免了熱量堆積可能引起的電池?zé)崾Э亍?
從材料方面來看，比亞迪在高風(fēng)險安全點位全面使用了耐高溫與絕緣性強(qiáng)的陶瓷涂層，對電池的級耳、極柱、隔膜進(jìn)行了保護(hù)。
陶瓷材料阻斷了內(nèi)部極端情況下的劇烈反應(yīng)，舉例而言，普通的磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池在大功率放電時，電池內(nèi)部會形成鋰枝晶，刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，引發(fā)火災(zāi)；而陶瓷隔膜在強(qiáng)度與反應(yīng)活性上均較弱，不易被鋰枝晶刺穿，從而減小了這種意外發(fā)生的概率。
即便隔膜因為外力損壞，電極處的涂層也能夠減小反應(yīng)的距離程度，從而保障電池的安全。
從生產(chǎn)工藝方面來看，比亞迪在刀片電池上首次實踐了疊片生產(chǎn)工藝，從量產(chǎn)情況來推測，該公司很可能已經(jīng)解決了疊片工藝速度慢、一致性差的問題。
那么疊片工藝對比傳統(tǒng)的卷繞式生產(chǎn)工藝又具備了一定優(yōu)勢。
首先，疊片工藝電芯生產(chǎn)的角度來看，能夠最大限度的利用鋁殼內(nèi)部的空間，而卷繞式工藝則會在鋁殼的四個角處留有一定的空隙，采用疊片工藝生產(chǎn)的電池在電芯能量密度上能夠提升5%左右。
其次，因為在疊片工藝生產(chǎn)過程中，極片經(jīng)歷了更少的形變，循環(huán)壽命能夠提升約10%。最后，疊片工藝生產(chǎn)的電池邊緣結(jié)構(gòu)更加簡單，尤其適合方形成組，電池安全性更高。
疊片工藝的三大優(yōu)勢幫助比亞迪的刀片電池在能量密度、循環(huán)壽命與安全性方面取得了進(jìn)一步的提升。
得益于結(jié)構(gòu)、材料、生產(chǎn)工藝三方面的領(lǐng)先，比亞迪刀片電池的電芯能量密度在理論層面能做到450Wh/L左右（大約為190Wh/kg），與當(dāng)下NCM/NCA 811三元鋰電池能量密度相當(dāng)，遠(yuǎn)超過目前能量密度平均在140Wh/kg的磷酸鐵鋰電池。
同時，由于成組過程中，無模組的設(shè)計，刀片電池的電池包體積利用率達(dá)到了60%以上，對比一般磷酸鐵鋰電池提升了50%，系統(tǒng)的能量密度相比于一般的方形磷酸鐵鋰電池也更高，大約為160Wh/kg。
在循環(huán)壽命層面，比亞迪刀片電池大約擁有3000次的充放電循環(huán)次數(shù)，優(yōu)于循環(huán)次數(shù)僅為1000次左右的三元鋰電池，比一般循環(huán)次數(shù)在2500次左右的磷酸鐵鋰電池也更強(qiáng)。
值得一提的是，比亞迪這次在電池管理系統(tǒng)上也下了功夫，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，比亞迪此次推出的刀片電池很可能會采用其最新的IGBT 4.0模塊對充放電進(jìn)行控制。據(jù)了解，比亞迪IGBT 4.0模塊的算力與目前業(yè)內(nèi)先進(jìn)的英飛凌等汽車半導(dǎo)體巨頭相當(dāng)。
先進(jìn)的技術(shù)如果停留在紙上談兵的階段，那刀片電池的未來一切還尚未可知。但比亞迪已經(jīng)蓄勢待發(fā)許久的比亞迪漢很快就將搭載刀片電池上市，從目前公布的數(shù)據(jù)來看，比亞迪漢的工況續(xù)航里程超過了600公里，甚至優(yōu)于搭載松下NCA 811電池的特斯拉Model 3（長續(xù)航版為595公里）。
一定程度上說明，刀片電池在“實戰(zhàn)”中的表現(xiàn)已經(jīng)與三元鋰電池相當(dāng)。并且，由于刀片電池采用的仍是磷酸鐵鋰體系，在成本、穩(wěn)定性等方面還要優(yōu)于三元鋰。
可以預(yù)見，動力電池產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線或許將要發(fā)生變革，一場電動汽車的動力革命已經(jīng)在醞釀之中。
刀片電池過針刺后，仍能正常工作
為證明刀片電池的安全性，比亞迪在發(fā)布會當(dāng)天，首次公布了刀片電池經(jīng)歷“針刺試驗”的完整視頻。
所謂針刺試驗，是一項驗證極端情況下電池安全性的測試方法，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最嚴(yán)苛的動力電池測試方法。
根據(jù)GB/T 31485-2105彈體恤電極針刺試驗方法要求，需要在電池充滿電的情況下，以直徑5-8mm的耐高溫鋼針，以20mm/s-30mm/s的速度垂直于電池極板方向進(jìn)行穿刺，穿刺位置需靠近極板幾何面中心，鋼針需停留在電池內(nèi)1小時，合格標(biāo)準(zhǔn)是不爆炸、不起火。
但在最新國標(biāo)《電動汽車用動力蓄電池安全要求》的報批稿中，這項試驗被取消。業(yè)界猜測主要是針刺試驗過于苛刻，導(dǎo)致三元鋰電池?zé)o法通過正常測試，因此暫時把這項試驗列為非強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。
不過比亞迪認(rèn)為，針刺試驗與消費者的現(xiàn)實使用環(huán)境有著非常強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。
動力電池在實際應(yīng)用場景中，存在異物刺入電池引發(fā)短路的可能，當(dāng)鋼針刺入電池，正負(fù)極通過鋼針直接產(chǎn)生連接，發(fā)生短路，模擬了異物刺入電池的情況。如果電池?zé)o法通過針刺試驗，那么在現(xiàn)實場景中遇到類似的情況，動力電池的安全隱患其實非常大。
因此，比亞迪對刀片電池進(jìn)行了針刺試驗，在測試過程中，比亞迪將三元鋰電池與一般的磷酸鐵鋰電池作為對照組，以相同方法進(jìn)行了測試。
結(jié)果顯示，三元鋰電池在鋼針刺入的4秒內(nèi)迅速發(fā)生膨脹，泄壓閥排出大量氣體，并在第6秒發(fā)生爆炸，放置在三元鋰電池表面的生雞蛋還沒來得及烤熟已經(jīng)被炸飛。電池電壓也迅速從4.2V下降至0V，在10秒之內(nèi)，電池內(nèi)部溫度從24攝氏度迅速上升至200攝氏度，并且持續(xù)上升，最終表面溫度超過了500攝氏度。
方形磷酸鐵鋰電池在鋼針刺入的前10秒沒有發(fā)生明顯的變化，但隨著鋼針完全穿透，電池電壓也迅速從3.37V下降至0V，伴隨著冒煙，泄壓閥大量排氣等現(xiàn)象發(fā)生。最終，方形磷酸鐵鋰電池表面的雞蛋被烤熟，表面溫度達(dá)到了200攝氏度-400攝氏度?？梢?，方形磷酸鐵鋰電池也沒能通過針刺試驗。
刀片電池在鋼針刺入后的15分鐘內(nèi)，電壓無明顯變化，而表面溫度僅上升了5攝氏度左右，仍能正常工作，沒有伴隨明顯的不良反應(yīng)，甚至表面的雞蛋都沒有發(fā)生明顯變化。
（雷鋒網(wǎng)新智駕注：刀片電池針刺試驗）
由此可見，刀片電池在應(yīng)對針刺試驗時表現(xiàn)得最為出色，現(xiàn)實中最不容易被異物刺入引起電池內(nèi)短路。而目前主流的三元鋰電池與方形磷酸鐵鋰電池面對這種情況時，則存在著不小的安全隱患。
如果搭載刀片電池的新能源車型成功下線，那無疑是打破了困擾新能源汽車產(chǎn)業(yè)已久的安全問題，將新能源汽車的安全性提升到了一個新的高度。
結(jié)語：刀片電池會成為通往汽車電動化下個時代的鑰匙嗎？
毫無疑問，刀片電池的面世將對目前的技術(shù)體系、市場與供應(yīng)鏈形成沖擊。
這款電池?fù)碛斜燃鏝CM/NCA 811三元鋰電池的系統(tǒng)能量密度，同時安全性遠(yuǎn)超三元鋰電池體系，一旦落地，將會很快進(jìn)行推廣應(yīng)用。
而這一現(xiàn)象將會對現(xiàn)有的技術(shù)體系、市場與供應(yīng)鏈形成強(qiáng)有力的沖擊。
在技術(shù)體系方面，刀片電池將會為整車研發(fā)帶來一系列的優(yōu)勢，扁平的設(shè)計將能夠擴(kuò)大座艙空間，降低整車風(fēng)阻，同時提高整車離地高度，增加通行性。但也要求整車廠必須設(shè)計全新的純電平臺，為刀片電池提供良好的載體，大同車量與電池的平臺化設(shè)計
在市場方面，刀片電池憑借不弱于三元鋰的能量密度與出色的安全性，可能會在一段時間內(nèi)侵占三元鋰電池的市場，所有廠商必須盡快調(diào)整策略，以防被市場落下，磷酸鐵鋰電池將會煥發(fā)“第二春”。
而在供應(yīng)鏈方面，刀片電池將會改變目前以三元鋰為主的上游礦業(yè)，以方形電池、圓柱形電池為主的中游殼體、材料生產(chǎn)商，要求這些廠商迅速為刀片電池形成配套，以保證在未來一段時間里，自身在供應(yīng)鏈中的地位。
刀片電池在當(dāng)下的動力電池產(chǎn)業(yè)中扮演的更像是一個承上啟下的角色。
對現(xiàn)有的技術(shù)體系而言，刀片電池解決了困擾產(chǎn)業(yè)已久的安全性的問題，同時擁有著不錯的能量密度，具備投入產(chǎn)業(yè)的實用價值。
對未來的技術(shù)體系而言，刀片電池提供了從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新的新思路，讓產(chǎn)業(yè)不必局限于材料創(chuàng)新帶來的突破。
但刀片電池仍然不是電動汽車動力電池的最終解決方案，材料本身的活性決定了磷酸鐵鋰的局限性，它注定只是屬于未來2-3年的技術(shù)路線。而更遠(yuǎn)的未來，固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空電池會接過接力棒，成為新能源汽車動力電池更加可靠的解決方案。
不過，無論如何，動力電池產(chǎn)業(yè)的每一次創(chuàng)新都將推動我們離汽車電動化的時代更近一步。
