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[轉載] 280Wh/kg高比能電池通過針刺測試!中國引領高安全鋰離子電池技術發展

來源:連線新能源 時間:2019-10-31 17:52:48 瀏覽次數:

2019年中國新能源汽車市場繼續突飛猛進,1-7月產銷量突破60萬輛,成為了車市寒冬中一抹靚麗的風景線,但是隨著新能源汽車保有量的不斷增大,頻發的自燃等安全事故讓人們對新能源汽車的安全性的關注提高到了前所 未有的高度。熱失控是鋰離子電池最為嚴重的失效模式。一旦發生熱失控,如果系統熱失控擴散抑制設計的不好,會引起電動汽車的起火燃燒,嚴重的威脅到車輛人員的安全并導致財產損失。


引起鋰離子電池熱失控的因素很多,例如內短路、外短路、過充、電池過熱和機械破壞等,但是內短路仍然是引起鋰離子電池熱失控的主要因素。引起鋰離子電池內短路的原因通常有生產過程中引入的金屬異物,以及充放電過程中負極形成的鋰枝晶等。一旦內短路發生,電池瞬間通過短路點進行放電,導致短路點溫度升高,引起隔膜熔化和正負極材料的分解,進而積累更多的熱量最終導致鋰離子電池熱失控。


為了降低鋰離子電池熱失控的危害程度,人們開發了多種方法用來模擬鋰離子電池內短路,這其中針刺試驗是模擬鋰離子電池內短路最為有效、也是應用最為廣泛的方法。針刺試驗通過鋼針從電池外部進行穿刺,用以模擬電池內部多余物引起的正負極短路。鋼針刺穿正負極之間的隔膜,導致正負極之間發生短路,巨大的電流密度導致短路點的溫度升高,最 高可超過900[1],高溫會導致隔膜熔化,引起短路點的快速擴大,同時短路造成的高溫還會引起正負極材料的分解[2]和電解液的燃燒,分解反應和電解液燃燒反應產生的熱量則會進一步引發連鎖反應,導致鋰離子電池熱失控。鋰離子電池在熱失控中還會產生大量的CO2、CO、H2、C2H4等氣體[5],短時間內在鋰離子電池內部產生巨大的壓力,引爆鋰離子電池的排氣閥。


鋰離子電池在內短路情況下是否發生熱失控,以及熱失控的劇烈程度與電極材料的選擇密切相關。近年來隨著動力動力電池能量密度的不斷提升,安全性較高的磷酸鐵鋰材料大量的被能量密度更高的三元材料替代,相比于LFP,三元材料的熱穩定性大幅降低[3],在高溫下三元材料會發生分解釋放O2,引起電解液和負極的燃燒,釋放大量的熱量[4],從而引起鋰離子電池發生劇烈的熱失控,而熱穩定性更差的NCM811材料的應用則進一步降低了動力電池的安全性,因此針刺試驗也成為橫亙在高能量密度鋰離子電池開發面前一道難以逾越的鴻溝。


然而隨著新能源汽車續航里程的不斷增加,整車廠對于動力電池能量密度的要求也在不斷的提升,高鎳三元材料的應用雖然為動力電池帶來了更高的能量密度,但高能量密度和高安全性的雙重壓力也為各大動力電池廠帶來了巨大的技術挑戰。針對這一現狀,新國標《電動汽車用鋰離子電池動力蓄電池安全要求》從系統安全的角度出發,取消了對單體電池針刺試驗的強制要求,轉而增加了熱失控在電池組內擴散的要求,希望從系統的層面解決高能量密度和高安全性之間的矛盾,這也成為了目前國內高比能動力電池發展的主流方向。


盡管新國標取消了對動力電池針刺實驗的強制要求,但是歐美主機廠,例如大眾、通用等仍然在堅持執行歐洲、美國的安全標準,依然將針刺列為強制執行項目,這也就意味著國內動力電池廠商要想融入到國際市場,針刺將是一道無法逾越的技術屏障。好在并非所有的企業都放棄了對“本質安全”的堅持,作為國際知名的動力電池制造企業,萬向長期以來堅持“安全重于一切”的理念,在新國標取消對針刺的強制要求后仍然堅持最為嚴格的產品開發標準,開發的產品必須通過USABC中規定的嚴苛的針刺測試。



萬向對于“安全”的堅持讓萬向推出新產品的速度慢了半拍,但“慢節奏”讓萬向能夠從容的對產品的安全性進行仔細的打磨。近期,萬向A123的一款52Ah VDA電芯順利實現了設計定型,該產品不僅能量密度達到了260Wh/kg,還兼顧了高功率的特性,常溫10s輸出功率密度達到1500W/kg,同時還保持了長壽命的特性,即便是在嚴酷的高溫環境下的壽命預計仍然可達1500次以上,最為重要的是這樣一款兼顧能量密度、功率密度和壽命的高性能動力電池還順利的通過了USABC中嚴苛的針刺測試,安全等級達到EUCAR2,實現了不冒煙、不起火、不爆 炸和不泄漏,為動力電池的安全設計樹立了一個嶄新的行業標桿。



對于“安全”的堅守讓萬向獲得了豐厚的回報,在各大動力電池都在為高能量密度鋰離子電池的安全性焦頭爛額的時候,萬向又推出了能量密度達到280Wh/kg的高安全動力電池產品,該電池不僅實現了超高能量密度,還在USABC標準的針刺測試(Ф3mm,80mm/s)中實現了不起火、不爆 炸,針刺后仍然能夠維持穩定的電壓平臺,達到了EUCAR2的安全等級。在過充測試中該電池同樣表現出了驚人的安全性,順利通過1C倍率過充至2倍電壓測試,達到EUCAR3安全標準。


這樣一款高安全電池的電性能同樣讓人驚艷,45 1C循環1300次容量保持率>80%,常溫輸出功率可達1500W,-25℃下輸出功率仍可達500W,能夠滿足電動汽車大部分工況的使用需求,為高性能、高安全電動汽車的開發奠定了堅實的基礎。



A123對于“安全”的極 致追求不僅獲得了廣大乘用車企業的認可,還獲得了像Karma這樣的世界超級轎跑品牌的垂青,在今年的成都車展上Karma帶來的兩款超級跑車2020Karma Revero GTKarma GTdesigned by Pininfarina均搭載了來自A123的動力電池。據悉該款電芯已經累計配套了近十萬臺車輛,部分車輛累計行駛達15萬公里,無一例安全事故,充分彰顯了A123在動力電池安全技術方面的強大實力。



電動汽車作為一個復雜的電氣系統,實現電芯安全只是整車安全的第 一步,系統層級的安全設計對于整車安全也同樣重要。對于動力電池模塊,BMS系統就像是系統安全的“守夜人”,時刻監督著電池模塊的工作狀態,避免電池發生過充、過放、過熱等極端情況,確保電池模塊的絕 對安全。


為了確保動力電池的安全,各大汽車廠商強制要求動力電池BMS系統滿足ISO 26262標準中的安全要求,在中汽研牽頭制定的GB/T《電動汽車用電池管理系統功能安全要求及試驗方法》中定義了BMS系統四個主要安全目標,安全等級均為ASIL C,這也將成為國內BMS行業的最基本門檻。


作為一家專注于鋰離子動力電池的供應商,萬向自2015年就開始推動動能安全體系建設和ISO 26262開發流程的搭建,積累了豐富的功能安全項目經驗。目前萬向已經能夠提供48V低壓系統和高壓系統兩種BMS系統,均滿足ASIL C的安全級別,其中48V低壓系統BMS將于明年量產,屆時將為多個整車廠客戶配套,高電壓BMS系統也將于今年下半年量產。雖然ASIL C級別的安全已經能夠滿足應用需求,但是萬向并未就此止步,而是繼續研發安全級別達到ASIL DBMS系統,為全球消費者提供一個更加安全的用車的體驗。


在安全技術上的不懈努力,讓萬向一二三成為國內唯 一一家能夠同時提供滿足功能安全的“高壓BMS”和“48V BMS”的供應商。依托12年豐富的BMS、電芯、模組和電池系統開發經驗,萬向一二三在中國杭州、美國底特律、德國斯圖加特建立了一支國際化的功能安全團隊,為全球客戶提供更好的功能安全產品和更加優質、高 效的服務,為全球動力電池系統和新能源汽車的安全保駕護航。


萬向作為一個從1999年就開始布局清潔能源的國際一 流動力電池供應商,對于“安全”堅守已經深深植根于企業文化之中,“安全高于一切”的理念貫穿于整個動力電池的研發之中,對于產品的精雕細琢和精益求精讓萬向成為高品質動力電池的代名詞,得到了廣大整車廠家和終端用戶的高度認可,在這浮躁的時代為動力電池產業樹立嶄新的行業標桿。

 

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