近日,有相關(guān)媒體整理了2022年1-11月國內(nèi)新能源汽車自燃事件統(tǒng)計(jì)表,詳細(xì)列明了公開網(wǎng)站上曾明確報(bào)道過的自燃事件,內(nèi)容包含具備品牌、車型、自燃時(shí)的氣溫以及車輛狀態(tài)。

從該圖表可以看出,在相關(guān)報(bào)道的自燃事件中,磷酸鐵鋰的表現(xiàn)并不比三元鋰電池好太多;

雖然電池起火自燃的原因不一定是電池本身,但數(shù)據(jù)證明,磷酸鐵鋰電池也并非絕對(duì)安全。

(相關(guān)資料圖)

圖片來源:鋰貓實(shí)驗(yàn)室

磷酸鐵鋰只是相對(duì)安全的電池材料

相對(duì)于三元鋰電池,磷酸鐵鋰電池的安全性還是很高的,集中體現(xiàn)在熱穩(wěn)定性方面,通常三元鋰電池中的鎳材料會(huì)在溫度達(dá)到200攝氏度后開始分解并釋放氧氣和熱量,促使電池出現(xiàn)冒煙、起火等熱失控現(xiàn)象。而磷酸鐵鋰電池只有在溫度達(dá)到800攝氏度以上,內(nèi)部才會(huì)開始產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),而即便是在高溫條件下,磷酸鐵鋰電池內(nèi)部由于晶體中的P-O鍵穩(wěn)固,所以并不會(huì)形成強(qiáng)氧化性物質(zhì),在電池包內(nèi)有限的氧氣下,自然也就難以起火自燃。

另外,磷酸鐵鋰電池的正極材料LiFePO4磷酸鐵鋰,其電化學(xué)性能也相對(duì)穩(wěn)定,即便當(dāng)電池處于針刺、碰撞、擠壓、短路等條件下,依舊不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的熱失控現(xiàn)象。

磷酸鐵鋰電池除了材料本身足夠安全以外,如今各大電池廠和車企也都會(huì)針對(duì)動(dòng)力電池包做出各種各樣的安全性措施,比如對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、采取先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)、采用耐熱或者隔熱性能強(qiáng)的動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)件,從而為磷酸鐵鋰電池包的安全性再上一道“保險(xiǎn)”。

各大企業(yè)的“熱管理”和預(yù)警監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)越發(fā)成熟

從寧德時(shí)代的“永不起火電池系統(tǒng)”、蜂巢能源的“蜂云平臺(tái)”、長城的“大禹電池”、嵐圖的“琥珀”、“云母”電池系統(tǒng),再到廣汽埃安的“彈匣電池”、極氪汽車“極芯”電池包,各大企業(yè)紛紛給出了“熱管理”的解決方案,思路均是通過先進(jìn)的預(yù)警模型和熱管理策略,在BMS監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、預(yù)警以及電池包層級(jí)的熱隔離防護(hù)材料和熱疏導(dǎo)方面進(jìn)行全面的技術(shù)升級(jí)。目前,各大企業(yè)在這一方面的技術(shù)路線的演進(jìn)已經(jīng)非常的成熟,可以完全滿足目前國標(biāo)“5分鐘不起火”的技術(shù)要求,甚至已經(jīng)遠(yuǎn)超了目前的國標(biāo)要求。

隨著短期技術(shù)方向明確,我們可以看到目前熱管理的技術(shù)方案也越來越趨向同質(zhì)化,需要有一種全新的技術(shù)來將整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)再次提升到一個(gè)新的水平。

熱電分離技術(shù)是通向下一代防護(hù)技術(shù)的必經(jīng)之路

當(dāng)前行業(yè)對(duì)電芯的熱失控防護(hù)主要集中在對(duì)“熱”的防護(hù),像上文所述的各大企業(yè)提出的三維熱防護(hù)材料、隔熱阻熱、耐火燒、冷卻等都是以“熱”為中心的設(shè)計(jì)。這是無可厚非的,因?yàn)樽罱K導(dǎo)致電芯發(fā)生起火爆炸的一定是“熱”這個(gè)直接因素,其他濫用像短路、碰撞、過流過壓等,最后都需要轉(zhuǎn)化為“熱”。對(duì)于熱的防護(hù)國內(nèi)的技術(shù)與方案,如上文所述,目前已經(jīng)非常成熟了。當(dāng)前各大企業(yè)提出的“熱”防護(hù)方案,阻斷熱是沒有問題的,但是電芯熱失控噴發(fā)出來的氣-液-固混合體非常容易引起熱失控的“二次危害”,其中由“電”造成的二次危害是最嚴(yán)重的,像電弧(擊穿金屬板、燒熔金屬板等)、短路、絕緣失效等。在這種情況下,本來可以壓制住的熱失控,瞬間就變成無法控制了。

也就是說在目前的國標(biāo)上,你想實(shí)現(xiàn)“5分鐘”不起火,僅靠對(duì)“熱”的防護(hù)是沒有問題的;但如果你想進(jìn)一步,到達(dá)真正的“無熱失控蔓延”,你就必須得考慮到“電”的因素,考慮到對(duì)“電”的防護(hù),考慮到“熱”失控后整包所處的狀態(tài)。

熱電分離的設(shè)計(jì)就可以很好地解決這個(gè)訴求。

但是如何能做到熱電分離的設(shè)計(jì)呢?

當(dāng)前主流的電芯防護(hù)閥布置是:

(1)圓柱18650、21700電芯防爆閥位于正極端;

(2)方形電芯(輸出極在同一端),防爆閥位于輸出極這一端,垂直向上;

(3)方形電芯(輸出極分布在兩端)如刀片電芯,防爆閥位于一端,水平布置;

(4)軟包電芯,沒有明確的泄爆方向,這也是軟包電芯熱失控比較難做的一個(gè)主要原因所在;

電芯有防爆閥的存在,能夠?qū)崿F(xiàn)熱失控的定向排放,這樣就可以在特定的方向上進(jìn)行熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)。

在之前,由于電芯沒有應(yīng)用到電動(dòng)汽車上,泄爆的方向性帶來的影響還不明顯,布置在輸出極一端成為了一種慣性設(shè)計(jì)思路延續(xù)了下來,這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致在電芯成組和集成時(shí),熱失控向上噴發(fā),正好是對(duì)著乘員艙進(jìn)行噴發(fā),這是很危險(xiǎn)的行為,所以現(xiàn)在的絕大多數(shù)產(chǎn)品方案,需要在電芯(模組)與上蓋之間建立起足夠的防護(hù)墻。

所以,現(xiàn)在意識(shí)到了這個(gè)問題,而改變防爆閥位置所帶來的難度也讓很多人早早地打消了念頭。用寧德時(shí)代的話來說,就是:

“當(dāng)要解決這個(gè)問題時(shí),很多研究人員容易想到的是將電池單體與駕駛艙之間的多個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理,來防止這種問題的發(fā)生。也就是說,由于上述各種問題或者其他各種問題的存在而造成的技術(shù)偏見,本領(lǐng)域技術(shù)人員并不會(huì)容易想到將泄壓機(jī)構(gòu)設(shè)置在電池單體的其他位置來解決這個(gè)問題。這也是因?yàn)檫@樣的更改設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)太大并且困難太多,這種風(fēng)險(xiǎn)和困難阻礙研究人員來將泄壓機(jī)構(gòu)設(shè)置在電池單體的其他位置。”

現(xiàn)在因?yàn)闊崾Э胤雷o(hù)的緊迫性,也是到了電芯設(shè)計(jì)集成到了結(jié)構(gòu)方向上來,行業(yè)開始更多的關(guān)注到這些細(xì)節(jié)層面上來。

行業(yè)先行者

1、特斯拉4680CTC

特斯拉公布的的Model Y 4680 CTC方案,電芯的防爆閥布置在電芯底部,和正極端相反,這種設(shè)計(jì)它天然具體熱電分離的前提條件,在集成時(shí)只需做好底部泄放空間的引導(dǎo)和固定,在電芯正極端完成電連接,它的熱、電空間分別是底部和頂部,再Z向分離;

圖片來源:知乎知化汽車

2、蜂巢能源龍鱗甲電池

蜂巢能源在第三屆電池日上面發(fā)布了最新的LCTP3.0方案——龍鱗甲電池,提出了五大創(chuàng)新設(shè)計(jì),分別是第二代短刀電芯、熱電分離、中央排氣通道取消、上下大面水冷以及適配各種材料體系。

其中的第二代短刀電芯就是采用的底部防爆閥的方案,同時(shí)第一次在行業(yè)內(nèi)明確提出了熱電分離的設(shè)計(jì)概念。

蜂巢能源第二代短刀電芯這一創(chuàng)新型的電芯設(shè)計(jì),將防爆閥的位置更改到了電芯的底部,而輸出極位于側(cè)邊,它的熱、電空間分別是底部和橫向,在Z向和Y向分離。

可以明顯看到,蜂巢能源的龍鱗甲電池相較于LCTP1.0,由于采用了電芯底部防爆閥的設(shè)計(jì),取消了中央的排氣通道,這樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì),將電氣連接區(qū)域和熱失控泄壓區(qū)域完全獨(dú)立開來,電芯的泄壓物與電氣連接空間完全絕緣,杜絕了“熱失控”后導(dǎo)致的“電”的危害。同時(shí),也減少了20%的結(jié)構(gòu)件,讓電池包成組率提升至76%,達(dá)到目前行業(yè)最高水平。

其次,可以看到龍鱗甲電池底部采用高強(qiáng)鋼的結(jié)構(gòu)加彈性支架,將底部防護(hù)空間與熱失控泄壓空間合并。電池包下箱體由單一的結(jié)構(gòu)件上升為功能復(fù)合件,同時(shí)起到了:結(jié)構(gòu)承載作用+結(jié)構(gòu)防護(hù)作用+集成冷板+泄爆疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

最后,由于電芯底部開口(防爆閥),龍鱗甲電池的電池包上蓋與水冷板集成,增加底部的水冷板設(shè)計(jì),在防爆閥處開口避讓,使得龍鱗甲電池?fù)Q熱能力提升70%,可以支持2.2C-4C的快充能力。

據(jù)悉,蜂巢能源的龍鱗甲電池基于電芯和電池系統(tǒng)的全方位創(chuàng)新設(shè)計(jì),已申請(qǐng)了電芯25項(xiàng),系統(tǒng)30項(xiàng)的專利。

電池系統(tǒng)的安全錯(cuò)綜復(fù)雜,行業(yè)仍需繼續(xù)探索

除了這種熱電分離設(shè)計(jì)之外,如何更快速、更安全地?cái)嚅_主回路,以及如何進(jìn)一步的加強(qiáng)電芯制造的安全也是目前行業(yè)仍需應(yīng)對(duì)的課題。我們很欣喜的看到,目前整個(gè)行業(yè)已突破了同質(zhì)化的技術(shù)趨勢(shì),邁向了安全升級(jí)的下一步。也希望隨著蜂巢能源龍鱗甲電池、特斯拉4680CTC技術(shù)的應(yīng)用,能讓電動(dòng)車的使用安全進(jìn)入一個(gè)全新的階段。

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