重庆工厂大揭秘 比亚迪的刀片电池是怎么炼成的?

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重庆工厂大揭秘 比亚迪的刀片电池是怎么炼成的?

三元锂电池和磷酸铁锂电池的技术之争,随着比亚迪刀片电池的发布,再次成为业内关注的重点。3月29日,比亚迪推出了新一代自研的磷酸铁锂电池——“刀片电池”,宣称能够克服传统磷酸铁锂电池能量密度低的劣势,改变行业对三元锂电池的依赖。

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比亚迪董事长王传福还在发布会立下Flag,表示要将“自燃”从新能源汽车的字典中彻底抹掉。

此外,关于刀片电池的“针刺测试”也热议不断。这在一定程度上反映了,业内对刀片电池存有的好奇与质疑:刀片电池是如何生产出来?刀片电池真的能够重新定义电动汽车安全标准?

或是为回应质疑,比亚迪用事实来说话。

6月4日,弗迪电池(比亚迪旗下的独立子品牌)重庆工厂举行了一场工厂探秘活动,邀请了百余位媒体人、行业专家进行实地参观,揭秘刀片电池背后的超级工厂。

比亚迪为何执着于磷酸铁锂电池?

比亚迪1995年以电池起家,2003年跨界成功,跻身汽车生产商行列。

事实上,从2002年开始,比亚迪就已经着手于磷酸铁锂电池的研发,期间也曾批量推出三元锂电池,并广泛应用在秦唐等双模车上。

即便如此,在三元锂电池成为各大车企纯电车型哄抢的对象之际,比亚迪依然没有放弃对磷酸铁锂电池的研发。

比亚迪刀片电池

为什么比亚迪对磷酸铁锂电池的执念这么深?

或者说,为什么比亚迪不愿意全力加码有着更高能量密度的三元锂电池,而是选择了安全稳妥但能量密度低的磷酸铁锂电池?

从材料成分与化学结构来看,磷酸铁锂电池有着三元锂电池不可比拟的安全优势。

三元锂电池的正极材料主要是镍钴锰与镍钴铝两种,其中的锰或者铝在温度过高的情况下容易分解,与氧产生剧烈反应。

“在500℃的温度下,磷酸铁锂材料结构都非常稳定,但三元锂材料在200℃左右就会发生分解,且化学反应较剧烈,会释放氧分子,更容易引发热失控。”弗迪电池公司副总经理孙华军表示。

但由于能量密度不及三元锂,加上新能源汽车补贴对汽车的长续航有着要求,这也导致过去几年里,市场的大多数选择与磷酸铁锂电池无缘,擦肩而过。

然而比亚迪始终认为,电池的安全问题至关重要。

因此,比亚迪一直在对磷酸铁锂电池的物理结构进行调优,在保持磷酸铁锂电池安全特性的同时,对其系统能量密度进行提升。

在过去的18年中,比亚迪将相同体积下的电芯容量提升了70%。同时电池的结构也发生了巨大的变化,将以往电池内部浪费的空间利用了起来,电池的长宽比从3.8提升到了10.6。

基于种种的调优设计,才有了如今的刀片电池超级包。

“我们最终的目标是,(电池)能量密度的提升以及成本的降低,同时把安全性能提高到极致。”弗迪电池工厂副总经理孙华军总结道:“刀片电池”的产生不是偶然的灵感,也不是突发奇想的异想天开的产品,是我们在过去这么多年,在动力电池领域长期的深耕所带来的必然的产品。”

刀片电池是如何炼成的?

目前,位于重庆璧山区的弗迪电池工厂是刀片电池唯一的生产基地,工厂总投资100亿元,规划年产能达20GWH。

从2019年2月开工,到2020年3月刀片电池正式推出,刀片电池工厂仅用1年时间就成为了高度精益化、自动化、信息化制造管理系统的超级工厂。

整个工厂的电池产线和生产设备实现了高度自动化、机械化。最重要的是,进一步了解了刀片电池是如何生产加工出来的。

在生产电池之前,刀片电池对生产环境有着十分严苛的要求,比如车间的无粉尘设计、26摄氏度的恒温控制、以及1%以下的湿度控制。

孙华军说,为了最大程度降低电池的短路率,他们提出了一个粉尘分级管控的概念,在一些关键工序上,能够做到一立方米空间内,5微米(头发丝1/20粗细)的颗粒不超过29个,这达到了与液晶屏生产车间相同的标准。

在参观工厂的过程中,据弗迪电池工程师介绍,刀片电池生产经历了配料、涂布、辊压、叠片、装配、烘烤、注液、检测八大生产工艺。

  • 比如在配料环节,配料系统的精度需要控制在千分之二,以保证浆料的稳定性;配料的水需经八道过滤,最后得到的高纯水里除了水分子分离出来的氢离子和氢氧根离子之外,没有任何杂质离子。

  • 涂布环节,则要求将浆料快、宽、匀、准地涂敷在集流体表面。即双面同时涂布,涂布最大宽度达1300mm、单位面积涂敷重量偏差小于1%。

  • 辊压环节,需要用高精度轧辊将电极片按照预设的厚度进行辊压,要求1200mm超大幅宽的辊压速度达到120m/min,厚度控制2μm以内,确保宽尺寸极片厚度的一致性。

  • 叠片环节更是考验电池生产工艺的时刻,需要将长度将近 1000mm的极片进行叠片,公差控制在±0.3mm以内、单片叠片效率在0.3s/pcs的精度和速度。

刀片电池装配工序

相对于传统的卷绕式生产工艺,叠片工艺的效率会更低一些。但孙华军在接受采访时表示,目前刀片电池的叠片水平是0.3秒,可能刚投产还有待落实,但0.3秒/片应该是能够达到,跟传统的卷绕工艺相比已经差别不大。

叠片之后,通过绝缘、焊接、入壳、密封等工序组装成电芯;然后通过真空负压及罐体加压方式,将电解液充分注入电芯并快速完成吸收过程;最后完成电池的各种检测。

刀片电池包工艺示意

此外,孙华军还表示,为了实现电池生产的自动化数字化,每个电池都有一个ID二维码,可以追溯到它经过的每一个生产设备、时间点、原材料,也能从原材料追溯到电池产品,实现正向反向的全追溯。

刀片电池成为行业新标杆?

那么,经受重重严苛生产流水线出来的刀片电池,有怎样的性能表现?

在超级工厂里,雷锋网新智驾有机会近距离地观察了电池的“针刺测试”。“针刺试验”的本质是模拟极端情况下电池内部短路的测试方法,来验证电池的安全性。

当钢针刺入时,钢针提供了电池内部短路的通路,电池的电能转化为热能,造成短时间内能量的集中爆发和释放,可能产生冒烟、漏液,甚至起火爆炸。这也是大多数电动车发生燃烧的最主要原因。

据弗迪电池的工程师介绍:“针刺试验”在电池充满电的情况下,将直径5毫米的钢针,以25毫米每秒的速度垂直刺破三元锂与刀片电池电芯,然后静置一小时。

可以清楚地看到,三元锂电芯被钢针刺穿的那一瞬间,电芯肉眼可见地迅速膨胀爆炸,火舌疯狂从内部冒出来。而刀片电池的表现则是无烟、不起火、不爆炸。

顺利通过“针刺试验”,只是刀片电池安全性能表现的一环。

总地来看,比亚迪从内部短路、外部短路、过充、碰撞、高压、连接、危险气体七大安全维度,电安全、机械安全、热安全、环境可靠性、气体可燃性5大方面进行安全评价验证,从单体、模组、电池包、系统4个层级全方位构建动力电池的超级安全体系。

而在电池包的强度方面,长96厘米、宽9厘米、高1.35厘米的单体电池,通过阵列的方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池包里面,形成类似蜂窝铝板的结构。由于电池的去模组和无梁化结构,大大提升了电池包的强度,使之成为一个刚性整体。据了解,刀片电池能够承受80赫兹的振动强度、60g碰撞加速度、800kN的挤压强度和445kN的抗压强度。

目前,搭载了刀片电池的比亚迪“汉”能实现600公里的续航。孙华军还表示,未来通过材料的创新升级,续航可达到700到800公里。“因为刀片电池能够大大减少三元锂电池因电池安全和强度不够而增加的结构件,从而减少车辆的重量,所以我们的单体能量密度虽然没有比三元锂高,但是能够达到主流三元锂电池同等的续航能力。”孙华军解释道。

比亚迪汉EV

至于在行业关心的低温问题上,刀片电池也有着不错的表现。孙华军表示,低温高电量的充电功率下,刀片电池高于三元电池。而低温低电量的充电功率下,刀片电池低于三元电池,但可以满足需求。刀片电池低温放电能力可以维持在常温的90%,低温下的放电功率刀片电池依然优于三元电池。

在使用寿命上,刀片电池的存储寿命和循环寿命均优于三元锂电池,可以保证长的8年甚至更长时间的使用,50万公里甚至100万公里更长里程的使用。

此外,刀片电池33分钟可将电量从10%充到80%、支持汉3.9秒百公里加速、瞬间最大功率可达363kW,约500马力。

凭借着刀片电池的六大性能,刀片电池极有可能为动力电池行业带来一场革命,实现能量密度与安全的兼得。

动力电池的未来

至此,刀片电池的横空出世,或许会让磷酸铁锂电池重新成为行业的“宠儿”。

但正如电池行业所言:研发一代,储备一代,应用一代。动力电池行业的研发与话语权争夺不会休止。

有业内人士提出,既然刀片电池的无梁化与去模组结构能够带来极大安全,那么如果将三元锂电池做成刀片电池,电池会否有更大的提升?

对此孙华军回应道:“刀片电池是结构创新,其他材料体系是不是也有可能(采用这个结构),我们的回答是有可能,但核心要看整个电动汽车的市场对于里程的需求。因为三元电池和磷酸铁锂两个体系各有优缺点,三元电池做成“刀片电池”可能体积能量密度更高。”而能量密度的提升无疑更加能够缓解市场的里程焦虑。

而在电池的材料创新上,固态电池、无钴化(或者高镍低钴)的三元锂电池也被行业寄予厚望。

但孙华军表示,前者目前更多是停留在研究层面,未来是一个发展方向,但可能还需要10左右的时间;至于后者无钴化电池,也存在着钴含量低而导致电池材料结构不稳定的可能,目前也还没有真正的产品表现。

值得一提的是,特斯拉马斯克的“电池日”也有着电池无钴化的传闻。宁德时代董事长曾毓群也曾透露,公司有自己的“无钴”电池技术储备,目前研发进展顺利。

可见,在动力电池的军备竞赛中,各家都还在暗自较劲。但在电池材料创新带来的颠覆性革命之前,比亚迪的刀片电池或将重新为磷酸铁锂电池正名,领跑动力电池新风口。

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