車企和主流電池企業(yè)開始將目標(biāo)集中投向“三元電池系統(tǒng)不起火”

摘要

高工鋰電注意到，寧德時(shí)代、蜂巢能源、廣汽埃安、領(lǐng)湃新能源、欣旺達(dá)、嵐圖汽車均推出了“不起火”電池方案實(shí)施方案。

在動(dòng)力電池安全技術(shù)開發(fā)上，車企和主流電池企業(yè)開始將目標(biāo)集中投向“三元電池系統(tǒng)不起火”。

磷酸鐵鋰電池由于能量密度較低，穩(wěn)定性較好，安全性相對(duì)得到認(rèn)可。而三元電池由于密度更高，熱穩(wěn)定性相對(duì)差，某些極端環(huán)境下容易發(fā)生熱失控起火，成為電池企業(yè)安全技術(shù)必須邁過的一道坎。

近期，嵐圖汽車舉辦三元鋰離子電池安全技術(shù)分享會(huì)，可實(shí)現(xiàn)三元鋰電熱失控觸發(fā)后無冒煙、無起火、無爆炸現(xiàn)象；廣汽埃安發(fā)布彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)三元鋰電池整包針刺不起火；領(lǐng)湃新能源也提出實(shí)施“零風(fēng)險(xiǎn)、高安全”電池戰(zhàn)略，三元電池再次戴上“不起火”、“零風(fēng)險(xiǎn)”標(biāo)簽。

在此之前，包括寧德時(shí)代“不起火”三元電池的公布與裝車，蜂巢能源“冷蜂”熱失控系統(tǒng)性解決方案的發(fā)布，欣旺達(dá)三元電池通過“加熱觸發(fā)電芯熱失控實(shí)驗(yàn)”，已經(jīng)逐步將三元電池安全推向可實(shí)現(xiàn)“不起火”的高地。

高工鋰電注意到，在“不起火”三元電池的實(shí)現(xiàn)路徑上，電池企業(yè)主要是在材料、電極、電芯、系統(tǒng)、BMS、Pack等多個(gè)維度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研發(fā)，從整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)層級(jí)來保障三元電池的“不起火”。

主要實(shí)現(xiàn)方式包括：1、從電芯本體出發(fā)，通過材料本體物性改善、添加阻燃劑等方式，讓電芯在出現(xiàn)極端情況下，中間的本體發(fā)生變更，比如起到熱量吸收、表面鈍化、阻斷膨脹、機(jī)械實(shí)效的效果等，以此實(shí)現(xiàn)電芯不起火。2、從模組及系統(tǒng)層級(jí)出發(fā)，添加耐熱、隔熱物質(zhì)及熱導(dǎo)流設(shè)計(jì)，即便是一顆電芯出現(xiàn)熱失控也不會(huì)影響其他電芯。

高工鋰電梳理了寧德時(shí)代、蜂巢能源、廣汽埃安、領(lǐng)湃新能源、欣旺達(dá)、嵐圖汽車的“不起火”電池方案實(shí)施方案，以供行業(yè)參考：

寧德時(shí)代

2020年10月，寧德時(shí)代表示已開發(fā)出“只冒煙不起火”三元電池，通過高安全電解液、熱擴(kuò)上隔離技術(shù)，直擊高能量密度、高安全性的痛點(diǎn)，可以確保電池包不燃燒，即便一個(gè)電芯起火，整個(gè)電池包只冒煙。

材料方面，寧德時(shí)代通過“原子層級(jí)”創(chuàng)新，開發(fā)出高穩(wěn)定性正極材料和高安全電解液，電池耐高溫邊界提高40℃。

電芯結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)了高集成、強(qiáng)魯棒的防內(nèi)短路電極，電芯進(jìn)行各種濫用測(cè)試可以不起火、不冒煙。

電池包設(shè)計(jì)方面，在量化分析外力作用下，外殼發(fā)生不同彈性變形、塑性變形時(shí)對(duì)電芯的損傷，優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

電池?zé)峁芾矸矫?，基于電池的物理化學(xué)特性，精確掌控溫度/電壓/電流等安全邊界，確保電池在安全舒適區(qū)工作，完善監(jiān)控模型，第一時(shí)間識(shí)別安全風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)預(yù)警。

系統(tǒng)熱擴(kuò)散方面，采用航空級(jí)耐熱材料和定向熱導(dǎo)流技術(shù)，即使單體發(fā)生熱失控，也能做到系統(tǒng)不蔓延、不起火。

2020年11月，蔚來汽車正式上線100kWh電池包。該電池包采用寧德時(shí)代鎳55三元電芯和CTP成組技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“無熱蔓延”。由此也兌現(xiàn)了此前寧德時(shí)代宣布“只冒煙不起火”電池年底裝車的承諾。

蜂巢能源

2020年12月，蜂巢能源在其電池日上對(duì)外發(fā)布了熱失控系統(tǒng)性解決方案——冷蜂，通過材料、電芯、電池包、監(jiān)控系統(tǒng)四大層級(jí)的原創(chuàng)技術(shù)徹底解決電池系統(tǒng)的熱失控問題。

在電芯環(huán)節(jié)，蜂巢能源研發(fā)了一種應(yīng)用新型果凍狀電解質(zhì)的“果凍電池”，具有高電導(dǎo)、自愈合、阻燃等特點(diǎn)，電導(dǎo)率6*0.001s/cm，耐熱溫度提高至150°C，在滿電（樣品）針刺測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn) “不起火、不冒煙”。

在電池pack環(huán)節(jié)，基于“果凍電池”電芯基礎(chǔ)上，蜂巢能源通過泄壓、噴發(fā)物控制、降溫、報(bào)警、隔熱等多種方式，來實(shí)現(xiàn)Pack的安全防護(hù)，進(jìn)一步防范動(dòng)力電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。

在系統(tǒng)監(jiān)控層級(jí)，蜂巢能源開發(fā)了“蜂云平臺(tái)”，該平臺(tái)通過對(duì)于超9萬輛電動(dòng)汽車的持續(xù)監(jiān)控，分析數(shù)據(jù)超過16億條，具備20多項(xiàng)監(jiān)控項(xiàng)目。

同時(shí)，該平臺(tái)還導(dǎo)入了蜂巢能源與清華大學(xué)合作開發(fā)的電池內(nèi)短路預(yù)警模型，在電池安全預(yù)警的準(zhǔn)確率達(dá)到90.9%，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于內(nèi)短路提前2個(gè)月的預(yù)警，充分保障電池系統(tǒng)安全。

廣汽埃安

3月10日，廣汽埃安發(fā)布新一代動(dòng)力電池安全技術(shù)——彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)，搭載該技術(shù)的電池包成功通過針刺熱擴(kuò)散試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)三元鋰電池整包針刺“不起火”。彈匣電池從電芯、系統(tǒng)、散熱、BMS各個(gè)層級(jí)，打造三元電池包的安全、高效保護(hù)。

電芯層級(jí)，通過正極材料的納米級(jí)包覆及摻雜技術(shù)的應(yīng)用，提升電芯熱穩(wěn)定性，防止熱失控。

電解液應(yīng)用新型添加劑，可實(shí)現(xiàn)SEI膜的自修復(fù)，改善電芯壽命。高安全電解液能在高溫下自發(fā)聚合形成高阻抗特性聚合物膜，大幅降低熱失控反應(yīng)產(chǎn)熱。這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，使得電芯的耐熱溫度提升30%。

系統(tǒng)層級(jí)，通過網(wǎng)狀納米孔隔熱材料和耐高溫上殼體，形成超強(qiáng)隔熱安全艙，實(shí)現(xiàn)三元鋰電芯熱失控不蔓延至相鄰電芯，電池包上殼體能耐溫1400℃以上。

散熱系統(tǒng)，通過全貼合液冷系統(tǒng)、高速散熱通道、高精準(zhǔn)的導(dǎo)熱路徑的設(shè)計(jì)，彈匣電池實(shí)現(xiàn)散熱面積提升40%，散熱效率提升30%。

電池管理系統(tǒng)，通過采用車規(guī)級(jí)最新一代電池管理系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)每秒10次全天候數(shù)據(jù)采集。發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，立即啟動(dòng)電池速冷系統(tǒng)為電池降溫。

在上述核心技術(shù)優(yōu)化加持下，廣汽埃安表示，彈匣電池相對(duì)于同類普通電池，體積能量密度提升9.4%，重量能量密度提升5.7%，成本下降10%。根據(jù)計(jì)劃，彈匣電池今年將在廣汽埃安全系列車型上陸續(xù)搭載。

領(lǐng)湃新能源

3月12日，領(lǐng)湃新能源“四個(gè)零戰(zhàn)略”，即零風(fēng)險(xiǎn)、零衰減、零焦慮、零誤差。其中，打造“零風(fēng)險(xiǎn)、高安全”電池被放在首要位置。

領(lǐng)湃新能源將從材料、電極、電芯、系統(tǒng)等多個(gè)維度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研發(fā)，顛覆原始設(shè)計(jì)，杜絕熱失控，實(shí)現(xiàn)零風(fēng)險(xiǎn)、高安全電池。

具體實(shí)施路徑包括，優(yōu)化材料配方，引入高導(dǎo)電導(dǎo)熱材料、溫敏材料，從內(nèi)部智能調(diào)節(jié)溫度，同時(shí)優(yōu)化外部冷卻材料與冷卻結(jié)構(gòu)；引入智能芯片及傳感器，保障實(shí)時(shí)高精度控制；優(yōu)化管理算法，提高數(shù)據(jù)反饋精度及靈敏度；多維度安全管控，實(shí)現(xiàn)零安全風(fēng)險(xiǎn)。

欣旺達(dá)

緊接著，欣旺達(dá)也宣布公司成功研發(fā)“只冒煙不起火”電池包，并可通過“加熱觸發(fā)電芯熱失控實(shí)驗(yàn)”，即單個(gè)電芯在被觸發(fā)發(fā)生熱失控之后，整個(gè)電池包只冒煙不起火。

欣旺達(dá)基于電芯設(shè)計(jì)、制造、模組、BMS再到PACK系統(tǒng)，構(gòu)建了五層安全設(shè)計(jì)模型。

電芯為5X三元體系，采用單晶、高電壓中鎳材料，產(chǎn)熱比多晶三元材料低至少20%，正極釋氧溫度高30%，能量密度比目前的高鎳體系接近，材料安全性更具優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，所有核心器件及BMS系統(tǒng)均滿足功能安全ASILD級(jí)要求，該BMS系統(tǒng)還可提前對(duì)電芯進(jìn)行精準(zhǔn)診斷，對(duì)熱失控進(jìn)行提前預(yù)警，預(yù)判電池的潛在危險(xiǎn)。

此外，該方案在電池應(yīng)用端提出的云安全，可以對(duì)電池健康狀態(tài)及安全進(jìn)行綜合評(píng)估與監(jiān)測(cè)，通過大數(shù)據(jù)和機(jī)理模型保證電池的安全運(yùn)行。

嵐圖汽車

3月17日，東風(fēng)旗下嵐圖汽車在線舉辦三元鋰電池安全技術(shù)分享會(huì)，三元電池在熱失控觸發(fā)并發(fā)出熱事件報(bào)警信號(hào)后，無冒煙、無起火、無爆炸現(xiàn)象發(fā)生。

電芯方面，電芯頂部導(dǎo)入耐超1000℃隔熱阻燃層，電芯間建立“三維隔熱墻”，在電池包內(nèi)使用超強(qiáng)高分子隔熱阻燃材料，對(duì)每個(gè)電芯實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的三維立體包裹，在電芯與電芯之間形成高效的隔熱阻燃防護(hù)層。電芯采用小單元+防爆閥硬殼設(shè)計(jì)。

即便某個(gè)電芯單體發(fā)生熱失控，三維隔熱墻可以確保其釋放的能量最小化，避免波及到周圍其他電芯，進(jìn)而防止電池包系統(tǒng)發(fā)生熱失控。

定制化開發(fā)車身框架防護(hù)、電池外殼防護(hù)、電池包橫梁防護(hù)、電池包吸能防護(hù)、電池雙極雙保險(xiǎn)防護(hù)等5層電池防護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)保障電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。

獨(dú)創(chuàng)“H-Guard”云端電池管理平臺(tái)，可基于不同使用場(chǎng)景解析108個(gè)電池參數(shù)，通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)精準(zhǔn)分析，對(duì)電池異常、電池自燃等進(jìn)行提前預(yù)測(cè)和預(yù)警，延長動(dòng)力電池使用壽命。

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