比亚迪刀片电池非专业浅析
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写在前面的话

比亚迪的刀片电池自从发布,一直受到很大的关注。有些人认为这是比亚迪锂电发展的重要成果,也有些人认为刀片电池并无本质上的变化,仅仅是一些结构优化而已。

本文将简单介绍刀片这种已经不算新的CTP,希望本文能抛砖引玉,如有错误欢迎指正。

锂电池的基本结构

锂电池的基本结构组成其实并不“复杂”,分四块:正极(阳极)、负极(阴极)、电解质和隔膜。目前,负极材料大家基本都是石墨(目前正在向硅负极材料发展),大家通常讲的三元锂、磷酸铁锂都是正极材料的差别。电解质目前大多是有机电解液,目前正在朝固态电解液的方向发展。而隔膜是个神奇的东西,锂离子能过,其他不能过。这样,当锂离子穿越隔膜后,那个电子就会通过导线到另一极,电就这么来了~

把正极-隔膜-负极叠起来,注入电解液,然后封装成一个圆柱(圈起来)或者一个盒子(叠起来)就是个电池(电芯、通常称为Cell)了。

刀片电池也是一样的结构:

  • 正极材料:磷酸铁锂
  • 负极材料:石墨
  • 电解质:有机电解液
  • 隔膜:还是那个神奇的东西
  • 外壳:铝制又长又薄的壳

所以,有些人说没啥特别的创新或进展确实也有道理:电池原理一样,正极、负极、电解质材料也没有变化。

但是,工程上的事情,并不是简单的改了个配方或者换了个材料就可以的,同样存在复杂的设计和工艺问题。否则,这个世界上的原子弹不会那么难造。理论上是一回事,实验室是另一回事,工程上更是另另一回事,商业上那更是另另另一回事情了。

刀片电池的特点是在工程上有了非常重大的创新——让某些材料同时承担两种职责,同时优化了空间布局。用料省了、空间省了,那么能装的电芯就更多了,能量密度也上来了。这个思路大家都在想(就是各种CTP方案),但刀片电池确实有它的独到之处。

刀片电池的大体结构

传统的动力电池结构一般都是电芯(Cell)-模组(Module)-电池包(Pack)这样逐级封装起来的,原因在于电芯一般都是很薄的金属壳封装的,结构强度不大,如果单独封装到电池包里,固定、接线都不方便。所以,就先放到一个模组里面,由模组实现固定,再放到电池包里面,接上各种线缆。这种逐级封装的思路很直观,工艺上也好控制。但是,这样也必然带来了一点材料和空间上的“浪费”,所以,大家都想着把模组给去掉,形成电芯(Cell)-电池包(Pack)这样简化的结构,这就是所谓的CTP。Cell To Pack,电芯直接装入电池包。

左边是传统CMP电池,右侧是刀片电池

根据比亚迪的刀片电池专利来看,他们参考了类似蜂窝铝的结构(其实其他家也有这样类似的想法,只是结构上有所不同),非常大胆的把电芯做成长条状,撑满整个Pack,把电芯作为电池包支撑结构的一部分。这样基本就不需要专门的模组结构。同时,长条状的电芯可以充分利用车辆的宽度(车宽方向上可以没有或者很少的隔断,都可以填入电芯),进一步提高了能量密度。

可以简单理解为刀片电池把电池从电极向上,做成侧面-面对面了

刀片电池的电芯结构

根据比亚迪的专利来看,刀片里面的电芯其实并不是简单的方型铝壳电芯(否则也拿不到专利,光是把方壳电池拍扁是拿不到专利的)。

每一块刀片其实是一种“微模组”,这个刀片里面其实放着多个类似于未封装的电芯。(为什么不能放一个?真不能,太长了,生产的一致性很难保证。)他们把这种电芯称为:极芯组(有多层的极片),而且都单独的正负极引出。然后,在刀片内部使用隔离膜袋装起来,并封装到刀片的内部。

直接生产如此之长的电芯太困难,所以每片刀片里面其实是有3个极芯的

这样,刀片这么一个结构件,不仅是整个电池包的结构的一部分(就像是房间的横梁),而且还负责给内部的电芯提供了结构支撑。一石二鸟,省料也省空间,能量密度自然被大大提升。

做针刺实验的时候也很有利,扎破的极片数量少,涉及短路的范围小,自然发热就少,有利于对热失控的有效控制。(但并不能排除热失控的可能)而且,由于做的薄,相对的散热面积也大,电池局部升温的问题也可以得到缓解。

当然,专利中提到的内容也远非这么简单,这里只是简单解析。

根据目前获得的资料分析,搭载在汉EV上的刀片电池,共有约174个极芯组,单个机芯组的电压是3.2V,总的系统电压约在550V,总能量77kWh。刀片则分别在沿车身在两边部署,每个刀片中安装了3个极芯组,目测应该是串联的方式连接。

刀片电池的优势

足够高的能量密度

能量密度可达140wh/kg,虽然受限于磷酸铁锂电池本身能力的能量密度较低的问题,这个数值不算高。但是,通过刀片电池这样的创新,已经可以满足小型车辆的续航要求。

这张图很有意思,可以看到红星的比亚迪汉虽然电芯级的能量密度低,但是在Pack级别的能量密度却在主流水平

安全性较高

磷酸铁锂电池本身活性较低,再加上刀片电池在结构上的优化,使得刀片电池相对于三元锂电具有安全上的优势。

价格/成本低

磷酸铁锂电池不含贵金属,因此,原料成本较低。而三元锂电需要依赖钴元素,需要大量依赖进口。从这个方面讲,刀片电池对于能源安全来说也是个重要的保障。

循环寿命好

可以达到5000次的循环寿命(衰减不超过20%),远比三元锂电的1000-2000次高。这样,对电动汽车而言,意味着基本可以忽略衰减问题。

可能存在的问题

说完好处,我简单就我个人理解讲一下可能存在的问题:

生产一致性问题

由于刀片电池的长度太长,电芯在制造过程中的一致性也有很大的难度,非常考验制造商的工艺和管控能力。

SoC漂移问题

磷酸铁锂电池的放电特性,导致了对于电池当前容量的计量比较困难。经过几次充放电周期后,可能存在SoC漂移问题。这个对于传统的CMP方案,可以通过模组进行监测或者平衡。但是,刀片电池中的3个极芯组由于是直接串联并封装在一起的,所以无法做单独的平衡。(也可能我理解有误)SoC漂移问题可能会比较严重。

碰撞维修问题

几乎所有CTP方案的共同问题:碰撞后维修比较麻烦。毕竟,传统的CMP电池有模组存在,只需要更换模组就可以,而CTP的维修相对复杂一点。但是,这个对于普通消费者而言,问题不大。大部分情况下,电池的维修并不是4S店能直接承担的,返厂维修是更大的可能。

结语

一样新生的事物,都需要以尽可能客观的心态去看待它,刀片电池也是如此。一味的吹捧或者一味的贬低,都不利于这个新生事物的发展和成长。刀片电池具有重要的意义,希望比亚迪的刀片电池能再进一步推动动力电池的发展。

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get✓ 优势 安全性 可循环性 劣势 冬季续航 碰撞维修费用高

碰撞维修费用高是所有ctp封装工艺电池的通病,包括宁德的三元电池

回复 等海豹ing3原来如此

我觉得比迪厂讲得通熟易懂!

小鹏也要用刀片吧?

铁电池的先天缺点难以通过工艺克服