钢针刺穿刀片电池结果惊呆了 被比亚迪狠狠上了一课

【太平洋汽车网 技术频道】当许多人对磷酸铁锂嗤之以鼻的时候，比亚迪默默拿出了新的电池结构成果——刀片电池，继续坚守磷酸铁锂电芯这条技术路线。刀片电池究竟有什么样的魅力呢？这么说吧，2008年比亚迪推出了搭载磷酸铁锂电池的纯电动车比亚迪e6，电池单体容量是45Ah。而2020年首搭于比亚迪汉的磷酸铁锂电池，在电池单体体积变化不大的前提下电池单体容量为138.5Ah，并且电池包的体积利用率从40%提升到60！这就是刀片电池结构的最直观明显的提升。

当高安全性的磷酸铁锂电池解决了能量密度低的问题之后，这便意味着，从前磷酸铁锂电池主要用于电动商用车、电动乘用车用三元锂电池的局面将会被打破。

刀片电池是什么

电动车传统电池包内部采用的是由多个电芯组成的模组，再将模组安装到带有横梁、纵梁的外壳上，组合成电池包，形成了电芯-模组-电池包三级装配模式，从模组到横梁、纵梁都占用了寸土寸金的电池包空间，限制了电池包能量密度的提升。

而“刀片电池”采用的就是大家既陌生又熟悉的CTP（Cell to Pack）无模组结构设计，省去了中间模组环节，直接将电芯集成为电池包。如果将比亚迪汉的电池包拆解开来，我们可以得到一堆长度1米，宽度10厘米，厚度不到2厘米的电池单体，这些电池单体紧密排在一起，就像“刀片”一样插进电池包，所以才得名刀片电池。

并且电池包内部几乎没有横梁或纵梁，薄如刀片的磷酸铁锂电池组合起来就能起到提升电池包整体结构强度的作用。于是，寸土寸金的电池包内部得以安装更多块电池单体，体积利用率得到极大提升，电池包总容量也就提上来了。在采用磷酸铁锂电芯的前提下，刀片电池结构将磷酸铁锂电池的容量/续航水平拔高到了和三元锂电池的同一水平线。

回到我们的第一个问题刀片电池是什么？其实一句话就能说清，刀片电池代表的是一种新的电池结构，其意义就在于通过改变电池结构的方式提高了电池的体积利用率。那么就会有人开始想到，三元锂电池是否也可以采用刀片电池结构呢？

我们从弗迪电池工程师的口中了解到，在弗迪电池当前技术储备下，三元锂电池也是可以做成刀片电池结构，但弗迪没有采用三元锂电芯路线的主要原因还是耐高温性能不如磷酸铁锂材料，为了弥补三元锂电池的热安全性，在设计电池包时需要预留更多的空间设计防火墙。

而采用磷酸铁锂正极材料会有哪些优势？在电动车常用的两种主流电池当中，磷酸铁锂材料本身具有放热启动温度高、放热慢、产热少、材料在分解过程中不释放氧气难以起火这四大优势。打个比方，在500℃温度下，磷酸铁锂材料结构还非常稳定，但三元锂材料在200℃左右时就会发生分解，产生剧烈的化学反应释放氧分子，引发热失控。

从电池材料热安全的角度来看，磷酸铁锂有天然优势，但过去磷酸铁锂电池的能量密度远不及三元锂，最终还是在新能源汽车电池补贴大战敌不过三元锂电。刀片电池结构的出现将扭转这一态势，使得其在发挥热安全优势的前提下，缩小与三元锂电池的能量密度差距甚至持平。

据弗迪电池介绍，搭载在汉EV的刀片电池包在热扩散试验当中的表现也优秀，在强制引发位于中间的电池热失控至350℃后，邻近电池表面温度最高也才80℃，没有起火、爆炸发生。

说完优点，其实磷酸铁锂材料也并且没有短板，在极端低温环境下，三元锂的放电容量明显高于磷酸铁锂，在零下20℃的条件下，磷酸铁锂的释放的电量会大打折扣。并且在低温低电量条件下的充电功率，磷酸铁锂要低于三元锂，低温环境简直是磷酸铁锂的天敌。

不过据弗迪电池的介绍，经过优化后的热管理系统可以保证刀片电池包在-35℃的极端低温环境下仍能够保持在最佳工作状态。

因为针刺实验，两个电池巨头杠上了

说到针刺实验就不得不提一提比亚迪和宁德时代的“旷世大战“，我们先来简单回顾一下吃瓜要点。故事要从比亚迪3月29日的那场刀片电池发布会开始说起，笔者当时坐在电脑面前看直播都能闻到浓浓的火药味，比亚迪宣称要改变行业对三元锂电池的依赖，将动力电池的技术路线回归正道！

并展示了刀片电池与三元锂电池的针刺实验对比视频，实验结果令人大跌眼镜：三元锂电池剧烈燃烧，表面温度瞬间超过500℃，电池表面的鸡蛋被炸飞；而比亚迪的刀片电池就像没事发生，表面温度30~60℃。在这场直播中虽没点名道姓，但明眼人都知道三元锂电池市场份额最大的正是比亚迪电池最大的对手——宁德时代。

直到5月11日，在宁德时代的财报峰会上，宁德时代董事长曾毓群直言：电池的安全和电池的滥用测试是两回事，但有些人把滥用测试通过等同于电池安全。宁德时代的回应，瞬间将事件推向高潮，随后这两家电池巨头在微博上展开了激烈的隔空互怼。

其实比亚迪与宁德时代的争论的根源莫过于针刺实验对于验证电池安全到底有没有用？

在《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》2015版国标当中，是存在电池单体针刺测试这一项目的。但随着大家都转而投向能量密度高的三元锂电池，国家不得不对这项法规进行修订。在最新强制性国标中，删除了电池单体针刺测试，取而代之的是电池系统热扩散试验。在热扩散试验中，可以自行选择加热触发热失控，或者针刺触发热失控，也就是针刺测试变成了一门选修课。

用一根大直径钢针刺穿电池，模拟电池短路进而触发热失控，是目前为止最严苛的测试方法，而且无论从钢针直径、刺穿速度来看，我们的国标测试方法在国际上都是最为严苛的。

带着针刺实验的疑惑，笔者来到了比亚迪位于重庆的弗迪电池工厂，亲眼目睹了针刺实验的整个过程。在针刺实验开始前，刀片电池和三元锂两种电池都已经是满电状态，刀片电池满电状态电压为3.4v，三元锂电池也达到了满电状态的4.16v。

首先开始进行测试的是三元锂电池，在调试完测试设备，一切准备就绪后，试验工程师回到指挥间。只听工程师一声令下，还没等我们反应过来，隔着玻璃的隔壁试验间就传来了猛烈的爆炸声。三元锂电池一扎就爆了，针刺点被瞬间炸飞导致针刺温度未采集到。

之后用同样的方法测试刀片电池，场面毫无波澜，没有明烟明火。我甚至一度怀疑针刺试验是否已经开始，但从监控及玻璃房中可以清晰地看到钢针确实已经穿透刀片电池了。

由于刀片电池两端较长，电压处于缓慢释放的过程，安全阀温度也只是缓慢上升，2分钟后针刺点温度也才上升至33℃，安全阀温度上升至22℃左右。

1米长的刀片电池为何别人做不出？

刀片电池的概念并不新鲜，但想走出实验室量产装车就不是一件简单的事了。刀片电池最难最核心的部分其实是在于叠片工艺，不同于传统电池所采用的缠绕工艺。叠片工艺是把正极、负极材料切成小片与陶瓷隔膜合成小个电芯单体，然后将多个小电芯单体堆叠成一个大电芯单体。这样一来，叠片工艺赐予了刀片电池的高能量密度，但这种做法的成本也更为昂贵且麻烦。

因此刀片电池难点不在于整个电池结构的设计，而是辊压、叠片、切片等工艺的开发，由于市面上现有的叠片机最多只能做到600mm长，远远满足不了比亚迪刀片电池1米长的极片，因此这种叠片采用的是比亚迪完全独立自主开发的设备和裁切方案。

除叠片之外，刀片电池生产过程中的配料、涂布、辊压、检测等其他工艺都达到了顶尖水平。例如，配料系统的精度在0.2%以内；双面同时涂布，涂布最大宽度达1300mm、单位面积涂敷重量偏差小于1%；1200mm超大幅宽的辊压速度可达120m/min，厚度控制2μm以内，确保宽尺寸极片厚度的一致性。

总结

第一个吃螃蟹的人是令人佩服的，比亚迪刀片电池的横空出世，让刀片电池跟比亚迪划上了等号，刀片电池虽不是比亚迪率先提出的，但当大家闲暇谈论起刀片电池时，率先想到的一定是比亚迪。在大家都认为磷酸铁锂电池该被淘汰时，比亚迪的刀片电池狠狠地给我们上了一课。（图/文/摄：太平洋汽车网 张景森）

10年翻6倍，新能源电池能量密度天梯

随着比亚迪基于磷酸铁锂技术的“刀片电池”发布，以及特斯拉与宁德时代商讨“无钴电池”事件的曝光，再一次将已被乘用车领域“抛弃”的磷酸铁锂电池拉回到人们的视线中。随之而来的是众多关于今后动力电池路径选择的猜忌。

暂且不说未来电动车动力电池路径如何的选择，纵观动力电池发展至今，无论是选择三元锂电池还是磷酸铁锂电池，最关键的决定因素之一便是“电池能量密度”，这也将继续影响未来动力电池技术路径的选择。那么，国内市场上电动车的动力电池的能量密度是如何发展的呢？ 今天，头条君带大家盘点一番。

在盘点之前，我们先明白电池能量密度的一个概念，即电池平均单位体积或质量所释放出的电能。而对于电动车动力电池的能量密度常常指向的是两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统（电池包）的能量密度。电芯能量密度指的是一个电池系统的最小单元；电池系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。

本文中所比较都是电芯能量密度，之所以只看电芯，不看电池包，是因为电池包是由车企自己设计，而电芯才是电池技术的真正体现。

首先要说的就是我国电动车领域大佬比亚迪，伴随着政策的东风，比亚迪加快了开发新能源汽车的步伐，并且自主研发磷酸铁锂电池。2010年第一批搭载比亚迪磷酸铁锂电池量产的车型就是比亚迪推出的e6，其电芯能量密度为90Wh/kg。

随着技术的升级，磷酸铁锂电池电芯能量密度也逐步提升，2015年，磷酸铁锂电池电芯能量密度提高到125 Wh/kg，随后又提高到135 Wh /kg。目前，比亚迪磷酸铁锂电池的单体能量密度为160Wh/kg，而接下来比亚迪计划将电芯能量密度继续提升到180Wh/kg。

虽然磷酸铁锂电池技术在不断的进步，但也很难达到更高的能量密度来满足电动车的高要求的续航里程。于是，比亚迪开启了两条腿走路的模式，不放弃磷酸铁锂电池的研发，但也同时开启了对三元锂电池的研究。比亚迪的插电式混合动力车型比如，秦100、唐100、宋DM等已经开始使用三元锂电池。

2019年上市的比亚迪唐ev600所用的三元锂电池电芯的密度达到235Wh/kg，也是目前比亚迪量产的三元锂电池最高的能量密度，有望在今年达到300Wh/kg。

除比亚迪外，不得不说的还有我国动力电池的龙头企业宁德时代。在2014年与宝马合作的第一款车型华晨宝马之诺1E的上市，让宁德时代名声大噪，当时，宝马之诺1E电芯能量密度约为89Wh/kg。在此后，宁德时代电动车技术研发上更是突飞猛进，可以说赶超日韩动力电池企业。

磷酸铁锂电池方面，宁德时代电芯能量密度达到了160Wh/kg以上。在三元锂电池方面，宁德时代主要有三种类型的电池，分别为NCM 523 、NCM 622和NCM811，其能量密度分别为160-200Wh/kg、230Wh/kg以及270Wh/kg。

而我国市场主流的电动车均采用宁德时代的电池。例如，名爵ezs采用的是宁德时代NCM 523电池，其电芯密度为161Wh/kg；同样，朗逸用的也是NCM 523电池，电芯密度为189Wh/kg。广汽新能源传祺GE3 则采用的宁德时代NCM 622电池，电芯能量密度为217Wh/kg。

值得一提的是，宝马X1PHEV和广汽新能源的Aion S搭载的宁德时代生产的NCM 811动力电池，续航能力大幅提升，电芯能量密度为235Wh/kg。未来，帝豪GSe和东风风神电动也有望搭载宁德时代NCM 811电池，来达到高续航的标准。

除了搭载宁德时代电池的车型，在国内动力电池市场最吸引人眼球的莫过于特斯拉的Model3，在2019年量产，2020年交付，据悉，其电池电芯的能量密度为300Wh/kg，所使用的电池为21700电池。

回看特斯拉动力电池能量密度发展里历程可以用突飞猛进来形容，从2008年第一辆生产的电动汽车Roadster，电芯能量密度为55Wh/kg，到在2012年6月交付第二款量产车型ModelS，其当时电芯能量密度约为200Wh/kg，再到2015年则交付第三款量产车型ModelX，电芯能量密度约为250Wh/kg以及现在达到300Wh/kg的Model3。

不断研发高能量密度电池，使其电动车的续航里程也在不断提高，特斯拉逐步成为全球电动汽车领导者。

除特斯拉外，位于欧美地区的车企，将电动车投放中国市场的还有通用汽车。2013年通用汽车将旗下雪佛兰电动车型沃蓝达投放中国市场，沃蓝达采用的LG化学的电池，当时其电芯能量密度为140Wh/kg。

此外，还有日产LEAF也曾投放到中国市场，日产LEAF是全球第一台量产的电动车，2015款聆风的电芯能量密度约为157Wh/kg，到2018款LEAF的电芯密度以达到224Wh/kg，提升约有20%。

头条说：

从以上盘点可以看出，基本上短短5年间，电池密度提升了近一倍，可见淘汰速度之快。但对于电芯能量密度市场依然有更高的要求，在《节能与新能源汽车技术路线图》中，特别提出了2020年动力电池的能量密度达到300Wh／kg，2025年400Wh／kg，2030年500Wh／kg的目标。在工信部颁布的《中国制造2025》中，这一目标甚至提高到了2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg。

显然，不管是哪一个，这些技术指标都已极其接近和突破了当下电化学体系内的锂离子电池的天花板了，而电芯能量密度是动力电池最核心的性能指标之一，寻求更高的能量密度是也电池企业以及车企孜孜以求的目标。不过随着能量密度的不断提升，锂电池的安全隐患也像挥之不去的魔咒一样紧随，未来对于电池企业以及电动车车企来说还有好长一段路要走。

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