近期一段時間內(nèi)，一場動力鋰電池“針刺實驗”讓比亞迪和寧德時代這兩家頭部動力鋰電池公司進(jìn)行了多次隔空對壘。大家關(guān)注的焦點也再一次回到了新能源汽車產(chǎn)業(yè)中避不開的磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池的路線紛爭。

雖然這場爭論因針刺實驗而起，但在這背后，如何去提升動力鋰電池安全才應(yīng)是整個業(yè)界研討、交流的真正價值所在。

動力鋰電池的紛爭

根據(jù)《我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2018）》中，將新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈劃分為四大板塊，其中產(chǎn)業(yè)鏈中上游材料的電池是由“正極”、“負(fù)極”、“隔膜”、“電解液”構(gòu)成，在關(guān)鍵部件一欄中，儲能則為“動力鋰電池管理系統(tǒng)”。

目前，在政策和市場的引導(dǎo)下，國內(nèi)公司在磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料前驅(qū)體、石墨負(fù)極材料、鈦酸鋰負(fù)極材料、電解液、PP/PE隔膜等動力鋰電池關(guān)鍵材料方面，已經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)頭部公司已經(jīng)近乎完全掌握了化學(xué)電池的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

其中應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)電池技術(shù)中，因為動力鋰電池性能指標(biāo)要滿足儲能密度、循環(huán)壽命、充電速度、抗高低溫和安全性五個維度，同時還要滿足制造成本等，磷酸鐵鋰和三元鋰電脫穎而出，分別成為客車和乘用車市場的絕對主力。不過，由此也拉開了磷酸鐵鋰和三元鋰電的“紛爭”。

在性能特性方面，磷酸鐵鋰和三元鋰電并沒有真正意義上差異，也是平分秋毫。

首先，在能量密度上，三元鋰電的標(biāo)稱電壓范圍為3.6~4.3V，相較于磷酸鐵鋰3.2-3.3V較高。并且，三元鋰電能量密度已經(jīng)突破300WH/kg，而磷酸鐵鋰離子電池仍較難突破200WH/kg大關(guān)。

其次，在使用環(huán)境方面，三元鋰離子電池低溫限值為-30°，相比磷酸鐵鋰離子電池-20°更加有優(yōu)勢，同時在相同低溫條件下，三元鋰離子電池冬季衰減不到15%，明顯高于磷酸鐵鋰離子電池衰減高達(dá)30%以上，更加符合我國電動汽車用戶的使用環(huán)境。但是，磷酸鐵鋰離子電池的熱失控溫度普遍在500°以上，這遠(yuǎn)比三元鋰離子電池低于300°的參數(shù)，更為安全。

在循環(huán)次數(shù)和制造成本之間，數(shù)據(jù)顯示，磷酸鐵鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)大于3500次后才會開始衰減，而三元鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)則僅為2000次。同時，因為磷酸鐵鋰離子電池生產(chǎn)制造并不涉及貴重金屬，其生產(chǎn)成本較低，反觀三元鋰離子電池則因為采用鈷金屬，其材料價格一直高企。

簡而言之，三元鋰電同等單位體積的能量密度比磷酸鐵鋰離子電池更高，且耐低溫（寒冷地區(qū)續(xù)航里程更長）；磷酸鐵鋰則耐高溫（安全性更好）、循環(huán)壽命長、制造成本低，兩者各有優(yōu)缺點，因此應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。

單單羅列完兩種電池技術(shù)路徑的各項參數(shù)還是不夠的，畢竟動力鋰電池公司最終是要將電池組搭載在新能源汽車上，安全性在汽車這一消費品品類就尤為重要。

“針刺實驗”究竟刺什么

讓我們回到早前比亞迪和寧德時代的對壘話題之上。三月份比亞迪公布了一段磷磷酸鐵鋰“刀片電池”通過素有電池安全“珠穆朗瑪峰”之稱的針刺實驗的視頻，驗證其在極端狀況下電池的安全性能。

但寧德時代卻認(rèn)為這是在“濫用”針刺實驗。隨后，因網(wǎng)友“小魚鋰電”對從市場采購寧德時代NCM811和NCM523兩款電池自行進(jìn)行針刺實驗均出現(xiàn)起火燃燒情況，而不得不也進(jìn)行了相應(yīng)針刺實驗。

不過，第一次實驗寧德時代針對整個電池包進(jìn)行，直接導(dǎo)致鋼針崩斷。第二次實驗顯示，針對NCM523和NCM811電池電芯進(jìn)行針刺，畫面顯示沒有出現(xiàn)冒煙起火等現(xiàn)象。

根據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）調(diào)查顯示，在自燃率方面，電動汽車比燃油車出現(xiàn)的理論幾率更低。不過隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)電動化趨勢，早先一批次的電動汽車卻頻繁出現(xiàn)了自燃事故，例如前兩年頻繁曝出的電動汽車高速充滿后的自燃事故，其中不乏特斯拉、蔚來等知名車企。

多數(shù)自燃事故的原因就在于，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量熱量在電池內(nèi)部積累導(dǎo)致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸。

而動力鋰電池針刺實驗則是被稱為電池實驗界的“珠穆朗瑪峰”。針刺實驗要求將測試電池為滿電狀態(tài)，用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針，從垂直于電池極板正上方的進(jìn)行貫穿，貫穿點位于貫穿面的幾何中心，當(dāng)鋼針穿透電池后，工程師通過各項指標(biāo)觀察電池1小時。假如所測電池沒有發(fā)生起火或爆炸則符合實驗的要求。

根據(jù)2015版本的強(qiáng)制性國標(biāo)《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》（GB/T31485-201）顯示，國標(biāo)就模組級別安全試驗、電芯針刺試驗、電芯跌落試驗、電芯低氣壓試驗、電芯海水浸泡試驗、電池包跌落試驗以及電池包翻轉(zhuǎn)試驗。

而在2019年一月，工信部公布的3項強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿的通知，其中一項是有關(guān)GB《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》。意見稿中GB單體電池的要求，過放、過充、短路、加熱、溫度循環(huán)、擠壓，一共五項安全測試，跟GB/T31485-2015的10項測試要求相比，減少了4項。其中，單體電池的針刺要求也在GB里面取消了。也就是說公司可以自行選擇針刺實驗，并不作為強(qiáng)制性實驗項目。

三元鋰離子電池針刺實驗過程

“刀片電池”針刺實驗過程

為了向外界進(jìn)一步證明實驗的真實性，界面新聞記者近日在比亞迪弗迪重慶廠現(xiàn)場觀看了針刺實驗全過程。和早前的實驗結(jié)果相同，三元鋰離子電池在針刺瞬間，電池包內(nèi)部出現(xiàn)劇烈的溫度變化，表面溫度迅速攀升至500℃，并發(fā)生極端的電池?zé)崾Э兀瑢?dǎo)致劇烈冒煙燃燒現(xiàn)象。隨后進(jìn)行的比亞迪“刀片電池”在穿刺后無明火，無冒煙，電池表面的溫度在30-60℃左右。在靜置一段時間之后也未有明顯冒煙爆燃現(xiàn)象發(fā)生。

對此，比亞迪汽車銷售公司副總經(jīng)理李云飛早前在微博上發(fā)文表示，針刺實驗的目的就是為了讓電池內(nèi)部發(fā)生短路，以便在這種情況下看電池的熱安全性。

“刀片電池”如何誕生的？

實際上，“刀片電池”是一種采用全新結(jié)構(gòu)的“超級磷酸鐵鋰離子電池”。界面新聞記者查閱專利局資料后發(fā)現(xiàn)，“刀片電池”是將磷酸鐵鋰電芯長度陣列式排封裝在600mm≤第一尺寸≤2500mm的電池包中，通過陣列式排布的大電芯，通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”相同堆疊在電池包里面。這種結(jié)構(gòu)性設(shè)計方法不僅可以有效提高動力鋰電池包的空間利用率，新增同一單位體積中的能量密度；而且還能保障電池內(nèi)部的熱擴(kuò)散性能，從而達(dá)到安全的目的。

據(jù)比亞迪官方介紹，比較傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰離子電池，“刀片電池”的最重要的升級便是將電芯內(nèi)部實現(xiàn)無模組設(shè)計，電芯直接集成為電池包（即CTP技術(shù)），從而大幅提升集成效率。

“刀片電池”通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在成組時可以跳過“模組”，大幅提高了體積利用率，最終達(dá)成在同樣的空間內(nèi)裝入更多電芯的設(shè)計目標(biāo)。相較傳統(tǒng)的有模電池包，“刀片電池”的重量比能量密度可達(dá)到180Wh/kg，相比此前有模電池組提升大約9%，電池在同等體積下能量密度上比傳統(tǒng)鐵電池提升了約50%，而搭載了刀片電池的純電動汽車?yán)m(xù)航表現(xiàn)可以達(dá)到約600公里，成本還能下降約30%。

對此，弗迪電池公司副總經(jīng)理孫華軍表示：“因為刀片電池能夠大大減少三元鋰離子電池因電池安全和強(qiáng)度不夠而新增的結(jié)構(gòu)件，從而減少車輛的重量，所以我們的單體能量密度雖然沒有比三元鋰高，但是能夠達(dá)到主流三元鋰離子電池同等的續(xù)航能力。”

在性能方面，孫華軍稱：“刀片電池33分鐘可將電量從10%充到80%、支持漢3.9秒百公里加速、循環(huán)充放電3000次以上可行駛120萬公里，以及超出業(yè)內(nèi)想象的低溫性能等數(shù)據(jù)表現(xiàn)，也奠定了其全方位碾壓三元鋰離子電池的‘超級優(yōu)勢’。”

在重慶璧山區(qū)的弗迪電池廠內(nèi)，孫華軍在介紹“刀片電池”生產(chǎn)工藝時表示，生產(chǎn)刀片電池最大的難點和亮點，重要集中在“八大工藝”。首先將近1米長的極片，必須實現(xiàn)公差控制在±0.3mm以內(nèi)、單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度。這種疊片采用的是比亞迪完全獨立自主開發(fā)的設(shè)備和裁切方法，目前是全球首創(chuàng)。

除疊片之外，刀片電池生產(chǎn)過程中的配料、涂布、輥壓、檢測等其他工藝也要達(dá)到世界頂尖水平。例如，配料系統(tǒng)的精度在0.2%以內(nèi)；雙面同時涂布，涂布最大寬度達(dá)1300mm、單位面積涂敷重量偏差小于1%；1200mm超大幅寬的輥壓速度可達(dá)120m/min，厚度控制2μm以內(nèi)，確保寬尺寸極片厚度的一致性……

除此以外，弗迪廠內(nèi)部遍布生產(chǎn)車間、工序、條線的高精度傳感器，數(shù)以百計的機(jī)器人，以及符合IATF16949&VDA6.3控制標(biāo)準(zhǔn)的品控體系等等，使得廠房設(shè)備硬件實現(xiàn)高度自動化，設(shè)備與設(shè)備之間的信息化，控制層面的智能化都是比亞迪關(guān)于“刀片電池”的投入。

動力鋰電池市場格局

事實上，無論是磷酸鐵鋰或還是三元鋰離子電池本質(zhì)上并非絕對意義上的天然對立關(guān)系，而是有著各自優(yōu)缺點的兩種不同技術(shù)路線產(chǎn)物。早期而言，由于磷酸鐵鋰離子電池在續(xù)航里程等方面表現(xiàn)不如三元鋰離子電池，在乘用車市場中三元鋰離子電池裝車量占據(jù)主導(dǎo)地位。

隨著“刀片電池”在各項性能上與三元鋰離子電池相差無幾，未來磷酸鐵鋰離子電池在乘用車市場中的占比得到進(jìn)一步提升將是大概率事件。

六月九日，據(jù)AutomotiveNewsEurope援引知情人士消息稱，比亞迪和捷豹路虎正在洽談動力鋰電池合作計劃，一旦雙方達(dá)成合作，比亞迪將在英國建立首個歐洲電池生產(chǎn)中心。同時，該名消息人士還表示，作為合作計劃的一部分，雙方也在考察是否要在電驅(qū)動技術(shù)開發(fā)方面開展合作。

這也是繼福特、豐田之后，又一家國外汽車品牌選擇比亞迪在動力鋰電池方面展開合作。

此外，在工信部公布的最新一批新車申請目錄中顯示，國產(chǎn)特斯拉Model3接下來也將開始裝配磷酸鐵鋰離子電池。

不過，寧德時代也沒停歇步伐。其在六月十日宣布，將推出新型長壽命電池。該款電池采用自修復(fù)長壽命技術(shù)，可實現(xiàn)16年超長壽命或200萬公里行駛里程，成本較現(xiàn)有電池新增不到10%。

從市場角度而言，有競爭才有進(jìn)步，無論是磷酸鐵鋰或還是三元鋰離子電池眼下均還不具有互相革對方命的基礎(chǔ)。而是基于各自優(yōu)勢擁有各自細(xì)分市場，而市場格局則仍舊將以兩種技術(shù)路線并存的現(xiàn)狀延續(xù)下去。