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探秘比亚迪电池工厂:除了安全,刀片电池还有什么优势?

时间:2020-06-05   作者: XCP陈函 

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针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

最近,国内两大动力电池制造商比亚迪与宁德时代在网络上关于电池安全性能的明争暗斗让吃瓜群众过足了瘾。比亚迪的刀片电池问世以来,就因出众的安全性能而备受关注,成功挑战“电池安全测试的珠穆朗玛峰”针刺试验之后,刀片电池名声大噪,这对市面上处于主流位置的三元锂电池无疑是个巨大的挑战。

那么,比亚迪的刀片电池是如何生产出来的呢?除了安全,它还有什么别的优势吗?这次比亚迪弗迪电池重庆工厂探秘活动,就为我们揭开了刀片电池的神秘面纱。

比亚迪刀片电池基本信息

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

在正式介绍刀片电池生产的各个工序之前,我们需要先了解一些关于刀片电池的基本信息。比亚迪的刀片电池本质上是磷酸铁锂电池,电池从结构上是由正极、负极、隔膜、电解液和壳体构成的,而我们通常所说的磷酸铁锂电池、三元锂电池都是以其正极材料命名的,因为正极材料对电池性能的影响是最大的,在电池成本中的占比也是最高的。

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

而刀片电池之所以被称为刀片电池,是因为它不同于常见的圆柱形或方形电池,它的单体电池的形状是长条形的,尺寸远比常见的单体电池大得多,其外形尺寸为:长96厘米、宽9厘米、高1.35厘米,就像长长的刀片。

比亚迪的刀片电池使用CTP无模组技术,单体电池通过阵列的方式排布在一起,组装成为电池包,所以能够有效提高体积能量密度,也就是说同样体积的电池包,使用刀片电池能具有更大的容量。目前比亚迪汉搭载的刀片电池电池包总容量为138.5Ah,总电量为77kWh,电池包体积利用率约为60%,体积能量密度为237-275Wh/L,质量能量密度约为140Wh/kg。

刀片电池是如何生产的?

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

刀片电池的生产过程共有8大工艺:

一、配料:采用先进的全自动混料系统,将活性物质、纳米导电材料,溶剂、粘结剂、按照预设的比例自动进行混合以形成均匀稳定的电极浆料;

二、涂布:采用高精度全自动高速涂布设备,将浆料均匀地涂敷在集流体的表面,通过干燥系统使溶剂定量挥发,形成均匀的电极片;

三、辊压:采用高精度轧辊将电极片按照预设的厚度进行辊压,以得到预设的极片厚度及体积密度;

四、叠片:采用比亚迪完全独立自主开发的裁切方案,高速叠片方案,完美实现了刀片电池的长尺寸,高精度,高效率的叠片工艺;

五、装配:采用比亚迪自主研发制造的全自动装配设备,自动输送结构件并实现精准定位,经绝缘、焊接、入壳、密封等工序组装成电芯;

六、烘烤:采用接触式隧道烤箱对电池进行烘烤除水,保证电芯注液前的内部水含量达到要求,以保障后期电池的电性能的稳定;

七、注液:采用比亚迪自主研发的整体加压式注液系统,真空负压及罐体加压方式,将泵入杯体中的电解液充分注入电芯并快速完成吸收过程;

八、检测:根据不同生产工艺,自动将组盘后电池通过滚筒线、提升机或堆垛机送入不同库位或不同设备,自动完成化成,充放电,分容,自放电等后段的工艺操作。

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

从各个工艺的介绍中我们可以看到,弗迪电池重庆工厂使用了很多比亚迪自主研发制造的设备,这是因为刀片电池实在是太长了,根本没有现成的标准设备可以用,并且比亚迪母公司本身就有强大的设备研发制造团队,所以关键工序的设备都能自己开发。换句话说,别的动力电池厂家短期内想做刀片电池几乎是不可能的,不仅专利上很难绕过去,而且还得花时间去研发设备。

弗迪电池公司副总经理孙华军表示:“将近1米长的极片,能够实现公差控制在±0.3mm以内、单片叠片效率在0.3s/pcs的精度和速度,在国际上我们都属于首创。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,这是其他任何人想抄都抄不来的。”

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

刀片电池生产过程的产生的难点主要也是因为它实在是太长了,其他电池极片长度最多也就500mm,而刀片电池的极片长度达到了1000mm,因此对涂布、切片时的精度和叠片时的垂直度要求很高,辊压时还需要解决极片两端与中间厚度不均的问题。为了解决这些问题,保证产品品质和生产效率,比亚迪的工程团队花费了大量的精力,通过使用大量的高精度传感器、工业机器人等设备保障生产精度,改善生产工艺,建立符合IATF 16949和VDA 6.3控制标准的品控体系等措施,使得厂房设备硬件的自动化,设备与设备之间的信息化,控制层面的智能化成为刀片电池生产高效、品质稳定的最强后盾。

与此同时,弗迪电池重庆工厂对生产环境的要求也是非常严苛。厂房内常年保持25℃恒温,湿度控制在1%以下。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。

除了安全,刀片电池还有什么优势?

比亚迪刀片电池针刺试验

三元锂电池针刺试验

这次活动比亚迪分别给我们演示了刀片电池和三元锂电池的针刺试验,从上面的视频我们可以看到,三元锂电池针刺瞬间起火爆燃,而刀片电池却没有明显的反应。安全性能孰优孰劣,一目了然。当然,这个试验只能用于单体电池间的安全性能对比,组合成电池包之后的安全性还受到能量管理系统和结构防护系统的影响,但是单体电池更安全,对提升电池包的安全性能肯定是只有好处没有坏处的。

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

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与此同时,比亚迪还对电池受到挤压、炉温、过充、热扩散时的安全性进行了验证,均能保证电池不起火、不爆炸。在电池包的强度方面,比亚迪也经过严密的验证,保证电池包受到振动、碰撞、挤压时的安全性能。不仅如此,因为电池包的强度足够、安全性能有保障,下一步比亚迪还将探讨用电池包充当车身安全结构件的设计,以进一步降低白车身的重量,弥补磷酸铁锂电池质量能量密度较低的劣势。

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除了安全性能,比亚迪还为刀片电池总结了另外几大优势,分别是续航长、低温性能好、寿命长和放电功率大。

续航长自然不用多说,比亚迪汉已经将结果摆出来了,使用77kWh的电池包,这台车长达到4米98的纯电中型轿车的NEDC续航达到了605km。作为参考,车长4米69的特斯拉Model 3国产后驱长续航版使用75kWh的电池组,NEDC纯电续航是664km。

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

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低温性能方面,根据比亚迪官方的数据,刀片电池除了在高SOC区间低温充电功率不如三元锂电池,其他方面的表现与三元锂电池没有太大的差距,甚至在低SOC区间低温放电功率还要优于三元锂电池。

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

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电池寿命方面,磷酸铁锂电池本身就优于三元锂电池,刀片电池在25℃实验环境下的循环寿命可达5000次,远远超过整车的使用年限要求。充电功率方面,比亚迪称刀片电池从10%充至80%最快仅需33分钟,下一步还将宣传0-100%的充电时间,因为磷酸铁锂电池耐高温性能好,所以充电发热时电控系统对充电功率的抑制会更小。放电功率方面,刀片电池搭载到比亚迪汉上瞬间最大放电功率可达363kW,所以可以支撑起汉EV四驱高性能版3.9s破百的高性能。

Q&A

针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

这次活动的QA环节,与会的媒体对于刀片电池的问题非常多,技术出身的弗迪电池公司副总经理孙华军也几乎是无问不答,由于篇幅原因,这里只能节选4个重点问题,如果你还有其他问题,欢迎在评论区提问。

Q:刀片电池安全是因为用的是磷酸铁锂材料吗?

A:不全是,磷酸铁锂电池本身安全性好,但是也过不了针刺试验,刀片电池在结构上进行了众多优化,使其安全性能更好。

Q:三元锂电池可以做成刀片电池吗?

A:可以,但是技术难度比用磷酸铁锂高,安全、力方面的设计要改变,要留更多的空间做防火墙,而且还要预留三元锂电池充电膨胀的空间等。

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Q:刀片电池产能多少,会给哪些外部厂商供货?

A:目前重庆工厂只投产了一条生产线,今年产出能到2-3GWh,产能能到12GWh,重庆工厂规划产能为20GWh,明年能达到最大产能,但是要完全达到20GWh的产出需要到2022年。此外,明年还会有贵阳、长沙两个工厂投产,规划产能都是20GWh。比亚迪具备一年完成建厂、两年达到最大产能的能力,如果市场需求旺盛,会继续提升规划产能。

“今天,几乎你能想到的所有汽车品牌,都在和我们探讨基于刀片电池技术的合作方案。”明年将批量供货一家自主品牌厂家(猜测是长安),丰田与比亚迪合资的公司也将使用刀片电池。同时,目前还有一家国际知名商用车企在和比亚迪谈合作。

Q:刀片电池会用到DM车型上吗?会用到10万级别的车型上吗?

A:明年会有搭载刀片电池的DM车型。下一款搭载刀片电池的车型将是新款宋的纯电版,新款秦的纯电版可能也会用,后续车型是否用刀片电池要根据电池产能和市场需求而定。我理解的是刀片电池将会优先用在比较高端的车型,产能有富余才可能用到低端车型。


针刺不起火的比亚迪刀片电池,是这样生产出来的

在活动的最后,有媒体谈到了近期比亚迪与宁德时代的安全性能之争,孙华军表示尊重竞争对手,也不惧怕竞争,有强大的竞争对手才能证明比亚迪的实力,竞争有利于大家做得更好。

的确,在新能源车日益普及的今天,公众对于电池安全性能的质疑声从未停止过,动力电池厂家之间关于电池安全性的公开竞争是很有必要的,对厂家积极提升电池安全性能和打消公众疑虑都有好处。身为一个电动车用户,我真心为比亚迪这波操作点赞,像刀片电池安全性能突出的电池,正是现在我们所需要的!

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