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)計表,詳細(xì)列明了公開網(wǎng)站上曾明確報道過的自燃事件,內(nèi)容包含具備品牌、車型、自燃時的氣溫以及車輛狀態(tài)。

從該圖表可以看出,在相關(guān)報道的自燃事件中,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

磷酸鐵鋰只是相對安全的電池材料

相對于三元鋰電池,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針對動力電池包做出各種各樣的安全性措施,比如對電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(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”。

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

從寧德時代的“永不起火電池系統(tǒng)”、蜂巢能源的“蜂云平臺”、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。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)來將整個系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)再次提升到一個新的水平。

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)對電芯的熱失控防護(hù)主要集中在對“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。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“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“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)計就可以很好地解決這個訴求。

但是如何能做到熱電分離的設(shè)計呢?

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。

在之前,由于電芯沒有應(yīng)用到電動汽車上,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)計思路延續(xù)了下來,這樣的設(shè)計導(dǎo)致在電芯成組和集成時,熱失控向上噴發(fā),正好是對著乘員艙進(jìn)行噴發(fā),這是很危險的行為,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)在意識到了這個問題,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。用寧德時代的話來說,就是:

“當(dāng)要解決這個問題時,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結(jié)構(gòu)中的至少一個結(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問題。這也是因?yàn)檫@樣的更改設(shè)計風(fēng)險太大并且困難太多,這種風(fēng)險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?！?/p>

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)計它天然具體熱電分離的前提條件,在集成時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,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,同時第一次在行業(yè)內(nèi)明確提出了熱電分離的設(shè)計概念。

蜂巢能源第二代短刀電芯這一創(chuàng)新型的電芯設(shè)計,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,取消了中央的排氣通道,這樣的創(chuàng)新設(shè)計,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,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,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,已申請了電芯25項(xiàng),系統(tǒng)30項(xiàng)的專利。

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

除了這種熱電分離設(shè)計之外,如何更快速、更安全地斷開主回路,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)對的課題。我們很欣喜的看到,目前整個行業(yè)已突破了同質(zhì)化的技術(shù)趨勢,邁向了安全升級的下一步。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,能讓電動車的使用安全進(jìn)入一個全新的階段。

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