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谁能让三元锂电池重回安全赛道?

作者:
文 张静
2021/03/17
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从备受推崇到迷雾重重,在新能源汽车产业发展进程中,动力电池安全性问题始终萦绕在参与者心头,也让投资者摇摆不定。近年来,资本天平向技术的倾斜愈发明显,理性的投资者们也越发意识到,无论多美好的愿景都需要实打实的技术落地。
 
作为电动车行业两大主流电池技术路线,磷酸铁锂电池和三元锂电池各有优势:磷酸铁锂电池因其寿命更长、成本更低,在中低续航车型中得到了广泛应用;三元锂电池因其能量密度高、整车电耗低,在中高续航车型中普遍应用。
 
根据市场使用情况来看,这两种技术路线在未来很长一段时间内仍将并行发展,只是磷酸铁锂电池的安全性问题已经得到了大家的相对认可,但三元锂电池的安全性问题目前仍然是行业公认的痛点与难点。
 
因此,相关企业都在开展这一课题攻关,因为他们知道,在新一轮产业竞争中谁能占据C位,或将围绕技术发展趋势而重新洗牌。尤其在新能源汽车市场,电池安全问题不仅是消费者购买电动车考虑的重要因素,更是关乎产业可持续发展的核心基石。
 
而具备系统级电池安全技术的广汽埃安,则拥有了属于自己的独特优势及强项。3月10日,广汽埃安发布新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术(以下简称“弹匣电池”),首次实现了三元锂电池整包针刺不起火,一举攻克行业难题,重新定义三元锂电池安全标准。
 
 
了不起的“不起火”
 
多年前,我们已经总结出电动车的五大“痛点”,分别是续航、充电、安全、成本、残值。其中,电池技术最重要也是最难攻克的一道堡垒就是安全。那么,作为一项从系统级层面彻底解决电池安全问题的全新技术,“弹匣电池”能否提振市场信心,让业界对其充满了好奇与期待。
 
为验证“弹匣电池”的安全性,中国汽车技术研究中心首席专家、国家电池安全标准起草人之一刘仕强博士带领团队,对搭载了“弹匣电池”系统安全技术的三元锂电池整包进行了针刺热扩散试验。
 
所谓热扩散,是指电池包或系统内一个电池单体热失控引发其余单体接连发生热失控的现象,而热扩散测试的目的是为了验证电池系统在动力电池单体发生热失控时能否具备有效保护驾乘人员安全逃生的能力。
 
目前,热扩散试验主要有两种触发方法:一是针刺,二是加热。而刘仕强博士所带团队选择的试验则是极端的针刺热扩散试验,选择的试验条件也是国标中最严苛的,8mm钢针和100%SOC电量。
 
 
试验结果显示:“弹匣电池”整包在试验热事故信号发出5分钟后仅出现1分钟的短暂冒烟,并无起火和爆炸现象;待静置48小时后,电压降至0V,温度恢复至室温;针刺后也只有被刺电芯模块热失控,并没有蔓延到其他电芯;且打开电池整包观察内部结构完好。
 
在这样严苛的试验条件下,“弹匣电池”实现了不起火,远超国标五分钟内不起火的标准,第一个实现了三元锂电池整包针刺不起火。同时,这也是行业内首次通过的三元锂电池整包针刺不起火试验,表明三元锂电池安全性已经取得了历史性突破。
 
实际上,电池自燃多是由于电芯出现内短路,从而导致温度升高、电芯内部反应产热最终出现热失控,随后蔓延到整个电池包所致。所以,电芯安全解决的是电池的本质安全,而整包安全是以系统思维解决从电芯、模组到系统的全方位安全,相比电芯安全更为重要,也更难实现。
 
在此背景下,广汽埃安的“弹匣电池”实则是一个专门用以提升动力电池安全性的系统性技术,并不是纯粹的结构优化,也不是简单的增加隔热,而是从电芯本质安全提升、到被动安全强化、再到软件主动防控的一整套安全技术。
 
 
现如今,电动车对于整车安全的共识已由单体安全转向系统安全,提升电池整包的安全性能已成为行业主流趋势。电池的安全贯穿在电池的整个使用过程中,是一项系统工程,包括电池的单体设计、系统集成、动态监控、系统防护等。
 
可以说,“弹匣电池”中的“弹匣”就是一个软硬件一体化、具备超高防御能力的智能安全技术,真正做到了安全不止于“芯”。据悉,“弹匣电池”现已进行了下至材料级、电芯级,上达整包、整车级的安全验证,合计超过1200多次各类仿真及试验,并在各类测试中确保其安全水平。
 
基于“防止电芯内短路、短路后防止热失控、热失控后防止热蔓延”的设计思路,“弹匣电池”采用的是类似于安全舱的设计,可有效阻隔热失控电芯的蔓延,当侦测到电芯电压或温度等出现异常时,还可自动启动电池速冷降温系统为电池降温。
 
那么,“弹匣电池”超高安全性是否牺牲了续航和成本?其实不然,“弹匣电池”在冷却系统、电芯设计、整包布置等方面也进行全面优化,能量密度相比同类普通电池包体积能量密度提升9.4%,重量能量密度提升5.7%,成本下降10%。因此,“弹匣电池”是在没有牺牲续航和提高成本的基础上,实现了高安全、长续航、低成本。
 
具备四大核心技术优势
 
可见,广汽埃安“弹匣电池”的发布对全球新能源汽车产业的发展具有里程碑意义,标志着三元锂电池安全标准上升到了全新高度。那么,能让三元锂电池重回安全赛道的“弹匣电池”究竟有何看家本领?
 
其一,具有超高耐热稳定的电芯。电芯可通过正极材料的纳米级包覆以及掺杂技术的应用,有效提升热稳定性,防止热失控;电解液新型添加剂的应用可实现SEI膜的自修复,从而改善电芯寿命,降低电芯短路风险;高安全电解液,通过特殊电解液添加剂,当加热至120℃以上时,在活性材料表面可自发聚合形成高阻抗特性聚合物膜,大幅降低热失控反应产热。这些关键技术的应用,使电芯的耐热温度提升了30%。
 
 
其二,具有超强隔热的电池安全舱。通过网状纳米孔隔热材料和耐高温上壳体,“弹匣电池”构筑了超强隔热的安全舱,最终实现三元锂电芯热失控不蔓延至相邻电芯,同时,电池包上壳体能耐温至1400℃以上,从而有效保护电池整包。
 
 
其三,具有极速降温的速冷系统。通过全贴合液冷系统、高速散热通道、高精准的导热路径设计,“弹匣电池”散热面积提升40%,散热效率提升30%,有效防止热蔓延。
 
 
其四,具有全时管控的第五代电池管理系统。“弹匣电池”通过采用车规级最新一代电池管理系统芯片,可实现每秒10次全天候数据采集,相比前代系统提升100倍,以24小时全覆盖的全时巡逻模式对电池状态进行监测。发现异常时,可立即启动电池速冷系统为电池降温,其全时巡逻模式和异常自救应用,重新定义了三元锂电池主动安全的标准。
 
 
拿什么佐证“含金量”?  
 
广汽埃安之所以能在电池安全领域实现重大突破,主要源自广汽集团在电动化技术方面长期的资源投入和技术积累。早在2011年,广汽集团就已推出国内首款中重度混合动力车型,其在电动化技术领域的研究已超过十年,并形成了大量的技术成果和人才储备。
 
据了解,“弹匣电池”是由广汽研究院、广汽硅谷研发中心、世界顶级电芯专家领衔开发的,并由超过600人组成的国际顶级研发团队打造,仅博士就已超过60位,充分体现了广汽埃安电池安全的最高技术水平。
 
例如,在专家团队中就有来自日本的电池专家大石繁,拥有46年电池工作经验,曾任索尼电池技术部长、三星电池开发部长、日产电池研发主管。此外,还有日本电池专家绵田正治,拥有44年电池工作经验,曾任日本汤浅公司总工、研发部部长,以及日本蓝色能源技术部部长。
 
 
发展至今,无论是在动力电池过流保护和电池热抑制方法上,还是在电池热失控监控及预警上,广汽集团均已形成了国际领先的专利群,不仅拥有80多项专利,发明占比更是超过70%。
 
广汽集团现已拥有业内领先的电池试验室、专业测试场,及电池Pack生产车间,并具备独立的电池包自主设计和生产制造能力,其自主研发的BMS电池管理系统也已经升级到了第五代,且成功应用在了“弹匣电池”技术上。
 
更为重要的是,广汽埃安用户每天可产生超1500万公里的行驶里程,带来了海量的电池运行数据,为“弹匣电池”的研发提供了坚实的数据支撑。据透露,“弹匣电池”今年会在AION全系车型上陆续搭载。
 
如若能够彻底解决行业安全难题,“弹匣电池”的诞生无论是对消费市场还是对资本领域都具有十分重要的意义。另有一点是可以确定的,那就是在“弹匣电池”带动下,广汽埃安新能源汽车版图扩张之路将进一步提速。
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