比亚迪刀片电池解析
苏州元生比亚迪
在介绍刀片电池之前，首先先介绍下动力电池的关键性能指标。纯电动汽车发展这么多年，动力电池的起火、续航里程不足和低温性能差是目前用户最最关注重点。因此，针对目前用户主要痛点，结合整车性能指标，动力电池关键性能指标主要有安全、寿命、低温、充电、功率及能量等六大方面。
（1）安全：主要指的是使用安全，包含动力电池的系统热安全、电气安全、机械安全。而系统热安全尤其重要，要极大降低由于动力电池电芯失效而引起的起火风险。电气安全也要引起注意，避免因为高压线束的老化等因素引起整车起火。
（2）寿命：动力电池的循环寿命影响整车使用寿命。电池的循环寿命指的是电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的80%的循环次数。目前比亚迪的刀片电池循环次数可达3000次以上。
（3）低温：动力电池的低温性能包含低温放电能量、低温功率、低温充电。
（4）充电：整车充电时间，持续充电电流。
（5）功率：影响整车动力性能，包含脉冲放电功率、持续放电功率、脉冲充电功率。
（6）能量密度：影响整车续航里程和重量，理论上电量越大，整车的续航里程越大。
2020年以前，以宁德时代为代表的动力电池厂商为了追求高能量密度而大力推广811（NCM配比）三元电池，致使三元电池大行其道，不过由于三元811的热失控温度为205℃—210℃，稳定性相比磷酸铁锂电池（热失控温度在500℃以上）来说差了很多，导致新能源汽车频繁出现起火的事件。为了电动汽车的安全，2020年3月，比亚迪在深圳发布了刀片电池，并宣称要把“自燃”从新能源汽车字典中的抹掉，安全才是电动汽车最大的豪华的豪言壮语。
1、什么是刀片电池
比亚迪刀片电池，指的是电芯像刀片一样扁平且长条，且和口香糖的形状极其的相似。刀片电池虽然没有在材料上进行重大的创新，正极材料采用磷酸铁锂，负极材料为人造石墨。但刀片电池在结构和工程技术上是全球首创。比亚迪的刀片电池是一种长电芯方案（基于方形铝壳来做的电池），在比亚迪原有的电芯的尺寸基础上（比亚迪之前在用的比较多的是173的和148的两种），通过对电芯的厚度减薄，并增大电芯的长度，将电芯进行扁长化设计并且予以减薄设计。与传统的技术电池系统相比，采用刀片电池的电池系统零部件数量减少40%以上，比能量密度虽然只提升了9%，但VCTP体积能量密度可增加50%以上，成本可下降30%以上。截止目前，刀片电池布局的专利至少超过了400件。目前刀片电池有单串刀片电池、多车刀片电池和多串方块电池三大类，灵活性高，多种长度厚度可供选择。
多串刀片电池内部结构主要由1-电芯铝外壳、2-极芯、3-采样线束、4-保护膜（内）、5/7/8-绝缘件、6-底部盖板、9-顶部盖板和10-保护膜（外）组成。
2、刀片电池的制造工艺
制造工艺方面，电芯的制造产工艺一般有两种：卷绕和叠片工艺。而刀片电池采用先进的高速叠片工艺，叠片极片长度可达约1000mm，叠片对齐公差在±0.3mm以内，单片叠片效率为0.3s/pcs。刀片电池的叠片工艺是将正负极极片、隔膜裁成规定尺寸的大小，随后将正极极片、隔膜、负极极片叠合成小电芯单体，再将小电芯单体叠放并联组成大电芯，然后装配盖板、侧板、隔圈etc和套壳形成单个刀片电池电芯。相比于卷绕工艺，叠片工艺制造出来的电池有着更好的循环特性和安全特性，也就说寿命更长、安全更好。
一般而言，叠片工序主要有搅拌、涂布、对辊、模切、叠片、焊接、顶封、注液、预化、抽气封口、成型、化成和测试等工序组成。不过，各个电池生产企业可对生产工艺进行适当优化，以更适合自身企业的生产。
由于刀片电芯大尺寸的特殊性，只能采取叠片工艺进行生产，而大尺寸高速叠片技术，对于所有动力电池制造商而言，又是难上加难。这也体现了比亚迪技术的先进性。根据比亚迪的介绍，比亚迪刀片电池的生产工艺主要分为配料、涂布、辊压、叠片、装配、烘烤、注液和检测等几个步骤。
除开高速叠片工艺外，刀片电池还采用了宽幅涂布、宽幅辊压和超薄铝壳制造技术，这些技术基本上在大规模生产上是首创。
宽幅涂布的最大涂布宽度1300mm，检测系统精度为±0.5mm以内，高速度70m/min，双面同时涂布。
宽幅辊压的最大辊压宽度1200mm，厚度公差控制2μm以内，高速120m/min。
超薄铝壳制造技术，突破传统拉深/挤出工艺制约，创新工艺实现0.3mm厚度的超长铝壳制造技术。
3、刀片电池电池包的三明治结构设计
在系统集成方面，创新性的使用三明治结构设计，并借鉴了蜂窝板的结构理念，蜂窝板具有质量轻，强度高，刚度高的特点，基于刀片电池的电池系统将电池阵列作为骨架，通过高性能胶黏剂将上盖、底板与电池阵列粘合成一个整体，实现超高集成效率，超高强度和刚度。
4、刀片电池系统测试评价方法
电池系统的可靠性评价是一个难题，现行的办法一般是采用振动、循环、温度冲击、高温高湿多个实验来表征，但往往发现实验结果与整车测试结果无法匹配，其主要原因在于单独的多个实验无法模拟实际使用工况。刀片电池创新的将温度、湿度、振动、循环几个因子实现有机结合，通过研究多个典型区域的实际使用条件，结合加速寿命试验理论，提出一套新的可靠性测试评价方法，目前，模拟整车20W公里的整套验证需要约2个月左右。
5、刀片电池六大关键特性
文章开篇作者详细介绍了动力电池的痛点，因此针对上述的痛点，刀片电池提出了超级安全、超级强度、超级续航、超级低温、超级寿命和超级功率六大关键特性。
5.1 超级安全
针对电池使用的7重安全维度，从5大方面进行安全评价验证，从4个层级构建全方位的构建刀片电池安全的体系，同时也从材料、电芯、系统等进行了确保了电池的安全。
材料安全方面，刀片电池正极材料采用稳定性更好、成本更低的磷酸铁锂。由于三元NCM启动温度（热失控温度为205℃—210℃）远远低于磷酸铁锂LFP（热失控温度在500℃以上）），更容易发生材料分解，且NCM材料分解时会产生氧，NCM放热速率远远大于LFP，发生分解的速度快，NCM总放热量大于LFP。
电芯安全方面，基于LFP材料体系和刀片电池独特的结构，刀片电池在针刺试验中可以做到不冒烟，不起火，最高温度仅约60°，挤压试验、炉温试验和过充试验仅冒烟，无起火，无爆炸，且在炉温和过充方面，其安全性能远远超出国标要求。炉温梯度升温至300℃（5℃/min），无起火爆炸现象。过充充电至10V（2.6倍Vmax），无起火爆炸现象。
系统的热扩散方面，国标要求为5分钟不扩散到外部，而刀片电池在整个测试过程中最高温度350℃，邻近电池背面温度最高约80℃，仅冒烟，无起火，无爆炸。
同时，刀片电池系统采用轻质高强蜂窝结构的复合材料防护板，对底部损伤起到有效的防护作用。
电池系统还有一个关键安全特性，就是当液冷板泄漏或整包密封失效时依然能保证安全性，基于刀片电池的电池系统，可以做到在冷却液完全泄漏和密封失效后，雨水进入电池包到淹没的整个过程不发生起火，本次试验持续45天，最终到电池电量全部放完结束。无冒烟，无起火，无爆炸。
5.2 超级强度方面
基于刀片系统,模态可做到80Hz以上，振动寿命300万km以上；模拟碰撞可轻松满足60g级别碰撞加速度要求，相当于45km/h碰撞刚性壁障；在挤压方面，最大挤压力100-800kN，电池包仅轻微变形，未冒烟，未起火；抗压强度方面，目前基于刀片电池的电池系统可以承受的压力达445kN，相当于45吨卡车重量。
5.3 超级续航方面
超级续航方面，基于刀片电池的电池系统可轻松实现高续航；包体最大电量可超100KWh（轿车）。A级轿车电量采用60kWh，可实现500km的续航；B级轿车电量采用80kWh，可实现600km的续航；C级轿车电量采用100kW，可实现700km的续航。
5.4 超级低温方面
超级低温方面，冬季牙克石-35℃至夏季吐鲁番55℃均能保持最佳的性能状态，0℃下LFP充电时间优于NCM2%；-10℃下LFP充电时间与NCM相差1%；刀片电池低温放电能力可维持在常温的90%。
5.5 超级寿命方面
超级寿命方面，分为储存寿命、循环寿命，均远大于整车使用年限要求。储存寿命在100%SOC储存，LFP优于NCM811，且LFP电压窗口低，电解液更加稳定，且LFP储存时容量恢复率远大于NCM811。循环寿命1C/1C，100%DOD，LFP优于NCM811，因为LFP材料结构，稳定性更好，LFP循环寿命＞整车使用年限要求。
5.6?超级功率方面
超级功率方面，低温低SOC，LFP较NCM有更好的功率性能；常温低SOC，LFP与NCM表现相当；高SOC下NCM占优，但LFP完全满足需求；瞬间最大功率363kW，约500马力，支持3.9秒百公里加速。
6、总结
总的来说，刀片电池由于优异的性能表现得到市场上用户认可，各大主机厂也是在相继采用比亚迪刀片电池方案，其中不乏丰田、福特这些汽车大厂。相信未来，中国的电池方案会在国际上得到更进一步的认可。
