近日,有相關媒體整理了2022年1-11月國內新能源汽車自燃事件統計表,詳細列明了公開網站上曾明確報道過的自燃事件,內容包含具備品牌、車型、自燃時的氣溫以及車輛狀態。

從該圖表可以看出,在相關報道的自燃事件中,磷酸鐵鋰的表現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,但數據證明,磷酸鐵鋰電池也并非絕對安全。

(相關資料圖)

圖片來源:鋰貓實驗室

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,集中體現在熱穩定性方面,通常三元鋰電池中的鎳材料會在溫度達到200攝氏度后開始分解并釋放氧氣和熱量,促使電池出現冒煙、起火等熱失控現象。而磷酸鐵鋰電池只有在溫度達到800攝氏度以上,內部才會開始產生化學反應,而即便是在高溫條件下,磷酸鐵鋰電池內部由于晶體中的P-O鍵穩固,所以并不會形成強氧化性物質,在電池包內有限的氧氣下,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,其電化學性能也相對穩定,即便當電池處于針刺、碰撞、擠壓、短路等條件下,依舊不會出現嚴重的熱失控現象。

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,比如對電池狀態進行實時監控、采取先進的熱管理系統、采用耐熱或者隔熱性能強的動力電池包結構件,從而為磷酸鐵鋰電池包的安全性再上一道“保險”。

各大企業的“熱管理”和預警監控技術已經越發成熟

從寧德時代的“永不起火電池系統”、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,再到廣汽埃安的“彈匣電池”、極氪汽車“極芯”電池包,各大企業紛紛給出了“熱管理”的解決方案,思路均是通過先進的預警模型和熱管理策略,在BMS監控系統的數據分析、預警以及電池包層級的熱隔離防護材料和熱疏導方面進行全面的技術升級。目前,各大企業在這一方面的技術路線的演進已經非常的成熟,可以完全滿足目前國標“5分鐘不起火”的技術要求,甚至已經遠超了目前的國標要求。

隨著短期技術方向明確,我們可以看到目前熱管理的技術方案也越來越趨向同質化,需要有一種全新的技術來將整個系統技術架構再次提升到一個新的水平。

熱電分離技術是通向下一代防護技術的必經之路

當前行業對電芯的熱失控防護主要集中在對“熱”的防護,像上文所述的各大企業提出的三維熱防護材料、隔熱阻熱、耐火燒、冷卻等都是以“熱”為中心的設計。這是無可厚非的,因為最終導致電芯發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,最后都需要轉化為“熱”。對于熱的防護國內的技術與方案,如上文所述,目前已經非常成熟了。當前各大企業提出的“熱”防護方案,阻斷熱是沒有問題的,但是電芯熱失控噴發出來的氣-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上,你想實現“5分鐘”不起火,僅靠對“熱”的防護是沒有問題的;但如果你想進一步,到達真正的“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,考慮到“熱”失控后整包所處的狀態。

熱電分離的設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計呢?

當前主流的電芯防護閥布置是:

(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,能夠實現熱失控的定向排放,這樣就可以在特定的方向上進行熱失控防護設計。

在之前,由于電芯沒有應用到電動汽車上,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計思路延續了下來,這樣的設計導致在電芯成組和集成時,熱失控向上噴發,正好是對著乘員艙進行噴發,這是很危險的行為,所以現在的絕大多數產品方案,需要在電芯(模組)與上蓋之間建立起足夠的防護墻。

所以,現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構中的至少一個結構進行加強處理,來防止這種問題的發生。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偏見,本領域技術人員并不會容易想到將泄壓機構設置在電池單體的其他位置來解決這個問題。這也是因為這樣的更改設計風險太大并且困難太多,這種風險和困難阻礙研究人員來將泄壓機構設置在電池單體的其他位置。”

現在因為熱失控防護的緊迫性,也是到了電芯設計集成到了結構方向上來,行業開始更多的關注到這些細節層面上來。

行業先行者

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布了最新的LCTP3.0方案——龍鱗甲電池,提出了五大創新設計,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,同時第一次在行業內明確提出了熱電分離的設計概念。

蜂巢能源第二代短刀電芯這一創新型的電芯設計,將防爆閥的位置更改到了電芯的底部,而輸出極位于側邊,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計,取消了中央的排氣通道,這樣的創新設計,將電氣連接區域和熱失控泄壓區域完全獨立開來,電芯的泄壓物與電氣連接空間完全絕緣,杜絕了“熱失控”后導致的“電”的危害。同時,也減少了20%的結構件,讓電池包成組率提升至76%,達到目前行業最高水平。

其次,可以看到龍鱗甲電池底部采用高強鋼的結構加彈性支架,將底部防護空間與熱失控泄壓空間合并。電池包下箱體由單一的結構件上升為功能復合件,同時起到了:結構承載作用+結構防護作用+集成冷板+泄爆疏導結構。

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計,在防爆閥處開口避讓,使得龍鱗甲電池換熱能力提升70%,可以支持2.2C-4C的快充能力。

據悉,蜂巢能源的龍鱗甲電池基于電芯和電池系統的全方位創新設計,已申請了電芯25項,系統30項的專利。

電池系統的安全錯綜復雜,行業仍需繼續探索

除了這種熱電分離設計之外,如何更快速、更安全地斷開主回路,以及如何進一步的加強電芯制造的安全也是目前行業仍需應對的課題。我們很欣喜的看到,目前整個行業已突破了同質化的技術趨勢,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技術的應用,能讓電動車的使用安全進入一個全新的階段。

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