用三年让动力电池更加安全,让新能源汽车更有前途

就在吃瓜群众乐此不疲的旁观特斯拉大幅降价,车主非理智维权的闹剧此起彼伏的上演。在过去的6年中(2013-2019),搭载7000节至9000节松下制造的18650型镍钴锰酸锂三元电池的特斯拉Model S/X系列电动车,已经在全球范围发生近50宗,行驶、充电及碰撞引发的自燃、燃烧及爆炸安全事故。可悲的是,特斯拉官方始终没有公布近50宗特斯拉S/X电动车,始终没有正面公布搭载数千节18650型电芯而引发的自燃、燃烧及爆炸事故。

然而,横向比对美国、欧洲、日本及中国制造的使用软包、方形三元锂电芯的不同型号电动汽车,出现的燃烧事故明显低于搭载7000节至9000节18650型三元锂电芯的特斯拉系电动车。那么为什么会出现这种不可避免的缺陷型安全事故?答案很简单,就是在整车设计之初,就没有对适配的电池种类进行最基本的安全性研究。

1、动力电池“热失控”问题频频,安全被重新放在第一位:

2018年9月20日,在第二届全球未来出行大会上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高,对近两年频繁发生的电动汽车安全事故时指出,现有的补贴政策导致车企在技术验证过程急功近利,是电动汽车出现安全质量问题的原因之一。以动力电池系统能量密度、续航里程、单位能耗为评价标准,这是2018新能源汽车政策的三大核心指标。而2020年动力电池单体达到300wh/kg更是横在动力电池生产企业头上的达摩克利斯之剑。一方面产业政策的指引下整车企业为了能够很好的迎合补贴政策的要求,不断的对提升对电池能力密度的要求;另一方面,新能源汽车市场的快速增长激发了结构性的供需失衡,锂钴等核心原材料价格持续暴涨。动力电池行业的全行业“大跃进”在2018年显得尤为明显。

为什么说2018年是中国动力电池行业的“大跃进”,从最近两三年的动力电池行业发展趋势中国动力电池行业的发展可见一斑。2017年,镍钴锰三元作为乘用车动力电池的唯一技术路线在中国新能源汽车产业得以确立,原本二分天下的磷酸铁锂电池黯然退出,市场上采用磷酸铁锂动力电池的新能源乘用车在2017年之后的市场上再也不见踪影。而对动力电池安全性要求非常高的公共交通领域,磷酸铁锂电池依然是绝对的霸主。虽然单成组效率高;工作温度范围宽泛,400摄氏度以上依然不会出现大面积热失控;但是依然无法与强大的产业政策抗衡,而动力电池行业的“大跃进”就是在产业政策的指引下如火如荼的开始了快速发展。

2017年,中国新能源动力电池行业镍钴锰三元动力电池普遍采用的是配方比例为1:1:1的镍钴锰三元正极材料,动力电池单体能量密度约为170wh/kg;2018年全行业的镍钴锰三元的配方比例就变成5:2:3的配方比例,动力电池单体能量密度约为210wh/kg左右;而在2018年即将结束的时候,国内某龙头动力电池生产企业就迫不及待的宣布将大规模投产8:1:1配方比例的镍钴锰三元,动力电池单体能量密度超过300wh/kg。但凡关注新能源汽车行业发展的人都知道,三元动力电池在111ncm时,化学稳定性和安全性均较好;从523ncm开始,热失控的风险就已经必须受到高度关注了,至于811ncm,如果电池良品率、内阻一致性、焊接工艺、散热系统效能、bms……任何一项有问题就会导致极其严重的后果。如果622ncm、811ncm等高镍三元热失控问题不能有一个全面且高效的解决方案,动力电池热失控后上千摄氏度的高温会让目前的各种消防设施束手无策,只能坐等动力电池烧光为止。那时候,车上的用户就不仅仅是“小白鼠”那么简单,或许事故之后连骨灰都找不到。

2、“热失控”不是洪水猛兽,全行业都在行动:

虽然“热失控”听起来很可怕,但是也不是完全没有解决方案。从动力电池本身入手的方案最直接有效的就是通过添加剂改性提高LiPF6(六氟磷酸锂)的耐受温度。众所周知,在真正的“固态电解质”没有真正大规模商业应用之前,即使是目前电解液的用量非常的少,但是“热失控”最大的罪魁祸首依然是电解液。虽然六氟磷酸锂是目前电池正负极间离子交换介质中的最佳选择,但是当温度达到60摄氏度以上的时候,六氟磷酸锂就开始分解并释放气体。目前行业解决“热失控”最直接的办法就是通过添加剂改性,提高六氟磷酸锂的分解温度来降低“热失控”的风险或者采用新型电解液直接替代,而双氟磺酰亚胺锂(LiFSI就是一个重要的方向)。

除了动力电池本身的改良之外,在应用端我们发现有很多的新能源汽车开发者们也在孜孜不倦的努力着。而接下来聊的这个企业不但是“造车新势力”,更是“造车新势力”中的异类。至少在安全上,他们相比众多的新能源汽车企业有着更高的追求。在他们看来,作为交通出行的参与者,安全不仅仅是驾驶者一个人或者是他所驾驶的这一辆车的事情,它的影响会波及到其他的交通参与者甚至于影响到交通参与者之外的公共安全。

3、苦干三年只为一个一个理由——安全

既然将安全放在首要位置,他们所做的工作注定是默默无闻的。相比那几个聚焦在镁光灯下的“新势力”,这个“新势力”的异类似乎并没有将频频曝光和吸引融资作为企业发展的头等大事。在笔者与这家企业的研发负责人面对面交流的时候,他把整个开发过程中的细节一点点的耐心的进行讲解。对于诸多的“新势力”而言,讲细节是一件非常可怕的事情。毕竟将自己暴露在镁光灯下就要经受社会的诸多考验,而一旦细节上讲的太多很容易“露馅”,就想某风口浪尖上的“新势力”企业的最高负责人之一曾经公开说过他们的产品使用的线束长达几公里这句话就暴露了这个企业的一些细节上的问题。

对于新能源汽车而言,系统集成度以及企业的系统集成能力决定了整车整备质量、系统稳定性、故障率、单位能耗等很多指标,而几公里长的线束这句话虽然看似无关痛痒,实则体现了这个企业在产品开发过程当中孱弱的系统集成能力,甚至说明了这个企业更多的只能依托尚不成熟的新能源汽车全球供应链来拼凑自己的整个系统。

接下来我们来说说这个受访企业的研发负责人是如何在三年之中只干了一件看似简单却至关重要的事情——安全。

说起安全这件事,似乎已经深深的植入这个企业的核心理念当中。产品开发之初,首先摆在他们眼前的事情就是如何选择动力电池的单体。其实,在技术路线尚未正式固化,全世界还在摸索的时候,龙头企业的技术路线往往是追随者们的最佳选择,理所当然的他们首先选择了18650这种规格。毕竟目前市场上最成功的特斯拉就是全球第一将18650这个原本只在消费电子领域使用的电池单体“成功”的移植到了电动汽车上并获得了阶段性的成功。虽然在安全问题上特斯拉频频出事,但是依靠这个企业领袖在IT领域的个人魅力,似乎烧个把车、死个把人都能够成为小概率事件或者是用户自己的问题。

而对于这家将安全作为核心价值之一的企业,盲目的崇拜不是他们的风格。既然选择了18650这种规格,他们就开始根据自己的理念开始对这种电池进行了“考验”。然而考验刚刚开始,诸多的问题也就接踵而至。首先的问题就是这种电池极片的焊接工艺的问题,他们在测试当中发现,提供给他们测试使用的国内某18650电池的极片焊接并不能满足他们的要求。电池单体在放电时极片焊接部位所产生的高温对电芯正负极片将产生热冲击并造成不可逆的损伤。同时,电池单体通过激光焊接并联之后,电池单体原本的性状也发生了极大的改变,但是电池企业却并不认同。成组之后的电池单体性状更是出现了更多的问题,电池组工作时电池单体之间的内阻不同导致了工作中的电池单体之间的温差达到了10摄氏度以上。

于他们而言,能够忍受的温差或者说能够确保电池安全工作的温差最好控制在5摄氏度左右。而在动力电池组的“后安全”(交通事故发生之后、系统经受外力侵害之后)方面,其他的企业并没没有在这个方面并没有更多的考虑,他们却想的更多一些。确保动力电池组在“后安全”时期能够延缓甚至于控制大规模“热失控”(起火、爆炸)的发生,他们发现了18650规格电池的一个致命缺陷,当某个18650电池单体在受到外力侵害之后发生“热失控”,电池内部的温度迅速升高至1000摄氏度以上。

而热量会通过正极极柱旁的泄压控定向喷射,如此集中且炽热的高温热流可瞬间将其接触到的任何物体击穿、融化并迅速通过热传导影响其他电池单体引发连锁反应,短时间就可将附近的金属、塑料包括乘客摧毁。而在另一方面,他们在动力电池组冲击试验方面在数年之前就采用了目前行业最高的标准——40G(40倍的重力加速度)当他们根据行业最高的标准对18650规格的电池进行冲击试验时,18650规格的电池单体无法承受如此高的冲击而产品内部结构的损坏。经过大量的严苛测试之后,他们放弃了使用18650规格的电池单体,将电池单体的选用聚焦到了软包电池。

选定了方向之后,他们进一步对软包电池进行了考验。而测试过程当中,电池企业在软包电池的封装过程中的划痕问题进一步成为他们关注的焦点,封装的PP/PE膜的划痕控制成为他们选取电池单体的核心指标之一。而“热失控”方面,软包电池在压力释放方面相比方壳和圆柱电池单体的优势显露无疑。选择了动力电池单体的方向之后,他们进一步在控制“热失控”扩散范围方面进行了进一步的探索,标准箱体这样的设计出现在他们的动力电池系统设计之中。而标准箱体的设计初衷就是在“后安全”问题发生之后,动力电池的“热失控”可以被控制在单个标准箱体之中而不会引发其他的标准箱体“热失控”以确保司乘人员有时间实施救助或自救,并将损失尽可能的控制在有限的范围之内。而这个标准箱体的耐热材料温度被设定在了1000摄氏度以上,仅寻找和筛选合适的耐热材料就花费了他们近半年的时间。

讲到这里,这个主题为“安全”的访谈并没有结束,整车安全设计的问题成了全程最精彩的部分。在传统内燃机汽车的产品设计开发过程当中,整体的安全设计是全面围绕司乘人员展开的,发动机、变速箱等核心的动力系统的在事故当中均可被抛弃,而一切的设计都是为了确保司乘人员的安全进行的。而在这个企业的整车设计开发过程当中,动力电池组的安全问题被提升到了与司乘人员同等重要的地位。在碰撞发生的时候整车的溃缩设计中不允许布置电池、电路切开控制器、执行器等控制单元。进一步确保碰撞发生之后动力电池组的安全性。

说到这里,或许读者已经非常好奇这家企业到底是哪个?别着急,我们用这个企业的负责人的一句话作为结束语之后揭晓。“相比揣在口袋里的手机电池的安全问题或许是个人问题,而新能源汽车的动力电池的安全问题却是社会问题”能将安全问题作为企业发展的核心理念,相信不论这个企业是传统汽车企业还是“造车新势力”,它都能走的更远。

这个企业是哪家呢?它的名字叫做“前途”。

文/新能源情报分析网宋楠

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