探索工厂、六问六答,带你认识比亚迪刀片电池,揭秘制造工艺

刀片电池,比亚迪今年强推的产品,甚至在不久前还因为刺穿试验的问题跟宁德时代狠撕了一场。

在车用动力电池里面,刀片电池确实算是十足狠角色,相比三元锂电芯它更安全、成本更低,相比三元锂电池组它容量密度也没有明显降低。

月初,我们有幸参观了弗迪电池位于重庆的工厂,亲眼见证了刀片电池和三元锂电的对比针刺试验,也与许多电池技术人员进行了探讨。

很多人以为,针刺试验模拟的是电池受到外力破坏时的情况,例如电池组被碰撞、挤压、穿刺。

但实际上,这并不全面,针刺试验主要模拟的还是锂电池内部隔膜破裂时的内部短路情况。

理想情况下,锂电池在充电时,锂离子从正极脱嵌并100%嵌入负极;但是在非理想情况下(如过充、低温、大电流等),从正极脱嵌的锂离子会在负极出现嵌入异常的情况,锂离子就只能析出在负极表面,这种现象被称为“析锂”。

“析锂”发生时,锂离子在负极表面可能会还原成不同形态的金属锂,其中树枝形状的金属锂被称为“锂枝晶”,它会随着析锂现象而不断“生长”,这一过程基本不可逆,最终有可能会穿破正负极间的隔膜,从而导致电芯的内部短路,并最终引发热失控。

正因如此,锂枝晶的生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。所以需要通过针刺试验来模拟电芯内部隔膜被穿破的情况,以验证电芯本身的安全性。

一般来讲,NCM三元材料在温度不足200℃时就会开始分解并放出大量热;而磷酸铁锂材料要在温度接近500℃时才会开始分解,且在分解过程中不释放氧气,放热速率也远低于NCM三元材料,所以不易发生热失控,也更不容易起火燃烧。

上图为刀片电池、下图为三元材料方壳电池。可见,相比方方正正的方壳电池,又长又薄的刀片电池拥有更大的表面积,在发生内部短路时,热量会被快速散发掉,让聚集的热量达不到磷酸铁锂材料的分解启动温度,从而保证了电芯不会轻易发生热失控。

锂电池的生产主要分为极片制造、装配、注液等几个步骤。根据比亚迪的介绍,刀片电池的生产难点主要在于极片制造。

“长”是刀片电池各种核心优势的根本,而长达960mm的刀片电池,其内部的极片自然也要达到这个级别。

然而,市面上电池极片生产工艺一般都在700mm以下,市面上主流的电池产品极片大多处于500mm以下的级别。

好在,比亚迪旗下有专门负责设计制造工业设备的部门,针对刀片电池的需求,开发出了超宽幅的极片生产设备。

据介绍,弗迪电池工厂的涂布设备,可以实现1300mm宽度的极片双面涂布,单位面积的涂敷重量小于1%,宽度尺寸偏差小于0.5mm,速度为每分钟70米。

在辊压工序,弗迪工厂的辊压设备可以实现1200mm宽度的极片辊压,可以将极片厚度差控制在2微米以内,速度为每分钟120米。

可以说,比亚迪之所以可以生产长度960mm的刀片电池,其关键就在于其宽幅极片生产工艺。

当然,极片并不是生产刀片电池的唯一难点。刀片电池采用了叠片工艺,相较卷绕工艺实现了更高的能量密度,但如此长的极片,要保证分切地一致、堆叠时对齐,才能保证生产出的电池拥有良好的一致性。

通过完全独立自主开发的设备和裁切方案,弗迪电池工厂的叠片在960mm宽度的基础上,实现了每分钟200片的叠片速度和小于0.3mm的对齐公差控制。按照官方说法,这一速度达到了世界领先的水平。

刀片电池实际上也是一种CTP(Cell To Pack,无模组)方案,属于结构创新而非材料创新。

CTP技术大幅减少了电池组中的电池模组,将十数个小的模组变成了两个或四个大的模组,从而省去了大量的零部件、连接线和壳体,在相同体积的电池组中容纳了更多电芯,提高了电池组整体的能量密度。

而比亚迪的刀片电池组由于其电芯本身足够长,通过特殊的设计和组装工艺,可以实现更彻底的无模组化。

此外,其他厂商的CTP技术,很多依然是基于现有的电芯,对布局重新设计而实现的,这就导致电池组的尺寸控制依然会被电芯的规格所限制。而比亚迪的刀片电池由于形状规整、排列简单,电池组的尺寸可以直接实现电芯级的调整。

官方表示,刀片电池的电芯长度可以是600-2000mm,可以根据不同的需求投产不同尺寸的电芯。

首先,刀片电池组中全部采用了液冷式热管理系统,同时在电芯的上下部分采用了大面积的保温材料,以保证热管理系统可以良好运作。

同时,在极片材料上,比亚迪采用了纳米化的磷酸铁锂,通过减小材料粒径缩短锂离子的迁移路径,改善了电池组的低温功率性能。

基于这些设计,刀片电池组在零下20度的环境下,依然可以保持常温90%的放电能力。而在充电时间和充电功率方面,在零下10度时,刀片电池的充电速度要比NCM811电池慢15分钟左右,差距有,但并没有很大。

前文说过,刀片电池组实际上也是一种CTP方案,它的电池组内部直接就是一个个的电芯。而这些电芯并非直接放置在电池组中的,而是被各种连接件安装、并通过特殊胶水固定的。

上图可以看到电池表面明显的胶印。这种用来固定电芯的胶水可以牢牢地将电芯固定在电池组中,同时起到一定的导热、阻燃和缓冲效果,但相应地,电芯被黏在一起之后就很难再拆开。

这就导致一个问题:电池组中的单个电芯出现故障,就要直接更换整个电池组。而传统的模组化电池组,就可以通过更换单个模组来维修,这无疑大大增加了采用刀片电池车型的电池故障维修成本。

当然,这并不只是比亚迪一家面临的问题,而是所有CTP技术都需要解决的问题。例如蜂巢能源CTP和宁德时代CTP技术,都是直接用胶将电芯黏在底板上,整个电池组的含胶量都是很高的。

目前来看,可以通过超低温来破坏胶的强度,从而实现低损从CTP电池组内将单个电芯取出。但这项技术目前实现难度大、环境要求高、成本高,暂时还难以大规模的应用,所以厂商只能通过提高电芯一致性、降低单个电芯的故障概率来减少电池组的维修需求。

可见,刀片电池并没有大家想象中的那么神秘,它本质上依旧是磷酸铁锂电池。但它在结构上进行了大量的创新,从而实现了优秀的安全性。

而比亚迪敢于推出刀片电池,关键就在于比亚迪的先进工艺,包括宽幅极片的制造、高速高精度的叠片工艺等等,这些是比亚迪的核心技术,所以在这次工厂参观中许多工序也没有向我们展示。

但基于现有的刀片电池,其实还有更多可能性。如比亚迪动力电池开发中心总监孙华军所说,目前的刀片电池,实际上只是1.0的水平,未来还将推出能量密度更高、性能更强的升级产品。

同时,当消费者有需求时,磷酸铁锂材料不能满足人们的续航需求时,刀片电池生产工艺或许也会被用来生产三元锂电也说不定。

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