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有惊无险 聊比亚迪刀片电池针刺实验

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● 实验结果到底咋样?

  此次针刺试验是在比亚迪的电池实验室内进行的,由于实验室保密和安全原因,我们不能拍摄电池针刺的过程,所以通过官方采用实验室专用的监控摄像头拍摄的视频进行讲解。


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【三种电池样品针刺试验视频】

◆ 三元锂离子电池

  首先,我们要做的是NCM622三元锂离子电池的针刺试验,这相信也是各位观众老爷们最为关心的环节,因为目前国内很大一部分纯电动车采用的就是三元锂离子电池。对三元锂离子电池有一定了解的朋友应该会知道,车用的三元锂离子电池是比较难通过针刺试验的,只要针刺触发了内部短路,电池便会马上发生热失控,下面我们用试验来看看三元锂离子电池在针刺试验中究竟会有怎样的反应?

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  从实验现象我们可以了解到,当钢针刺穿电池导致三元锂离子电池内部短路后,极高的升温速率会使三元正极材料快速达到200摄氏度左右的分解温度,三元正极材料高速分解产生大量的游离态氧,这些游离态氧会进一步增加各种化学反应的产热量,提高电池内部升温速率,同时也使电池内部压力迅速上升。迅速攀升的电池内部压力很快推开了泄压阀,内部高压电解液喷薄而出,外部空气此时进入到电池内部,新鲜的空气+极高的温度+残留在电池内部的可燃电解液,爆炸起火便一触即发。

◆ 普通磷酸铁锂电池

  接下来我们换普通磷酸铁锂电池上场。钢针从电池中央穿透其内部极板。在钢针穿透电池后,电池电压开始下降,电池外壳有一定程度的鼓胀,显示内部短路导致电池内部压力迅速上升,随后泄压阀打开,电池内部高压电解液喷出,之后电压迅速下降的同时,电池外壳温度迅速攀升,最高达到239摄氏度。随着电池内容物通过泄压阀悉数喷出,电池外壳温度开始慢慢回落直至观察期结束。打在穿孔位置附近的鸡蛋已被高温壳体煎熟了,表明试验过程中电池外壳温度较高。

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  磷酸铁锂电池热失控反应之所以没有三元锂离子电池剧烈,主要是因为其正极材料分解温度在500摄氏度以上,热失控温度相比三元锂离子电池更高,其热失控风险相对较低。此外,磷酸铁锂电池正极分解(触发热失控的一个主因)时产生的氧气量较少,限制了电池内部压力增加(限制了电池外壳鼓涨)及温度升高,这一方面能够避免电池内部压力过大发生爆炸,另一方面也一定程度地限制了易燃电解液发生燃烧的可能性。磷酸铁锂在热失控测试中,其升温速率相比三元锂离子电池要低得多,这也是其安全系数较高的重要特性之一。

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  从实验现象我们可以看出,利用针刺来触发普通磷酸铁锂电池内部短路会导致其发生热失控。普通磷酸铁锂电池热失控后会导致电池内部温度和压力迅速上升,导致电池外壳产生一定程度鼓胀并触发泄压阀打开(泄压阀开启时伴随着一定的声响,但这并非爆炸)。虽然视频的效果看上去很惊险,但在整个试验过程中,电池没有发生起火和爆炸,安全性还是值得肯定的。值得一提的是,泄压阀是一种热失控保护措施,它在本次试验中热失控发生时适时打开,证明这种措施是行之有效的。

◆ 刀片电池

  我们最后测试的是刀片电池。钢针从刀片电池中央穿透其极板后,电池电压下降和表面温度上升都非常轻微,穿刺位置没有火花、烟雾或电解液喷出,电池壳体也没有出现鼓胀。穿刺后的一小时内,被穿刺刀片电池的电压和表面温度都非常稳定,打在穿孔位置附近的鸡蛋没有任何要被煎熟的趋势。

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  看到这里,可能有些买了搭载三元锂离子电池纯电动车的朋友开始坐不住了,是不是要换一台搭载磷酸铁锂电池的车型更安全呢?且慢,上述试验是电池单体的零部件安全试验,虽然三元锂离子电池单体安全系数较低,但通过电池包结构设计优化以及电池管理系统的严格监控,是能够提升该类型电池在电池包级别的安全系数的,请各位继续往下看。

● 如何保证搭载三元锂离子电池车辆的使用安全

  从车辆使用安全的角度出发,新国标新增了热扩散试验,要求电池包或电池单体发生热失控引起热扩散,进而导致乘员舱发生危险之前5分钟,为乘员提供一个预先警告信号,提醒乘员疏散。热扩散试验的目的就是为了提升电动车在使用层面的安全性,保证使用者的人身安全。

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  有朋友会问,都热失控了才报警,这还来得及吗?要回答这个问题,我们就要先来了解一下电池包的结构。电动车电池包内部是有数十到数千个不等的电池单体组成的,其中一个电池单体发生热失控一般是不会立即触发临近电池单体的热失控。所以电池包要真的燃烧起来,达到损害人身安全的程度,其实是有一个过程的。三元锂离子电池虽然热失控安全系数相对较低,但是通过电池单体泄压阀设计,在电池单体间增加隔热绝缘材料是能够有效阻止热扩散,可减慢或者避免其他电池单体发生热失控,延长乘员逃生时间的。

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  由于针刺并非常规的电池失效模式,电动车在日常使用中,其电池包或电池单体极难遇到被针刺的情况。而在严重碰撞事故中导致电池单体变形从而引发热失控则是较为常见的失效模式,通过加强电池包及周边保护结构的强度,能够较好地避免电池单体因受压变形而触发热失控。

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  总而言之,搭载在目前量产车型上的三元锂离子电池虽然其单体安全系数较低,但通过电池包和电池管理系统的优化设计是能够提升这种电池技术在使用层面上的安全性的,目前国标的基础要求还是比较严格的,所以消费者无需谈三元锂离子电池色变

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  就目前国内的技术水平来看,安全指标一定程度限制了三元锂离子电池包整体能量密度的进一步提升,而较低的单体能量密度则限制着磷酸铁锂电池或刀片电池包整体能量密度的提升。相比起来,磷酸铁锂电池或刀片电池包在未来几年通过电池技术优化以及采用无模组电池包设计优化,电池包整体能量密度的提升空间较大,或能追平受到安全指标制约的三元锂离子电池包。

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● 编辑总结:

  三元锂离子电池单体的热失控安全系数较低,但通过加强电池包壳体的强度,完善电池管理系统对热失控的检测和提前预警机制,利用隔热绝缘材料降低热扩散速率等都能有效地增强电池包的整体安全系数,以满足国标对车用动力电池的安全性要求,提升其使用层面的安全性。磷酸铁锂电池/刀片电池能量密度相对较低,但其热失控安全系数比三元锂离子电池高不少,这有利于使用无模组设计来进一步提升电池包整体能量密度,增加电动车的续航里程,从而在安全性和续航上实现更好的平衡。(图/文/摄/汽车之家 常庆林)

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