探秘弗迪電池重慶工廠,揭開刀片電池背後的故事

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1997年之前,燃油車在強勁動力和較低能耗之間的矛盾幾乎是無解的。彼時的汽車市場,美系、日產主推大排量自吸,德系開始走渦輪路線,走出石油危機陰影的車企們都忘記了曾經的陣痛,以性能論而忽視燃油經濟性,直到豐田雙擎的出現。

這種全新的混合動力,通過發動機和電機的共同作用,兼顧了強動力和低能耗,以普銳斯為起點,卡羅拉、凱美瑞、雷克薩斯等一些列雙擎車讓豐田一戰成名,並由此開啟了本田乃至更多世界一流車企對低能耗的追逐。

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再來看如今的新能源市場,動力電池的能量密度和安全性矛盾一如燃油車的動力和油耗矛盾。過去的幾年,政策的傾斜加上消費者偏愛,唯高能量密度論甚囂塵上,在這方面有突出優勢的三元鋰電池出貨量迅猛攀升,可隨之而來的是高居不下的自燃事故。

今年3月比亞迪刀片電池橫空出世,比亞迪表示:

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刀片電池體積能量密度將比傳統鐵鋰電池提升50%,安全性大幅提升。和豐田雙擎一樣,刀片電池的出現也大有改變動力電池世界格局的潛力。

近日,天涯君前往比亞迪位於重慶的弗迪電池超級工廠,了解了刀片電池背後的故事。

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為什麼要造刀片電池?

「為什麼要攀登?因為山就在那裡」。

和喬治·馬洛里一樣,對於比亞迪來說徹底解決電動車安全問題就是他心中的珠峰。所以從一開始,比亞迪就確立了在安全方面有著天然優勢的磷酸鐵鋰作為核心研發方向。

早在2002年比亞迪開啟了LFP磷酸鐵鋰電池的研發,2008年比亞迪又實現了全球首創將動力電池引入到純電動車型e6和雙模車型F3DM上,創行業之先;即便是隨後幾年,在高能量密度的三元鋰電池被廣泛推崇的市場環境中,比亞迪也從未放棄對磷酸鐵鋰電池的再研發。

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也正源於此,18年的技術突破,12年的結構創新,讓比亞迪在動力電池長寬比、體積利用率等核心技術層面取得了長足進步,可以說刀片電池的出現正是比亞迪毫不動搖將「安全」放在首位,功到自然成的結果。

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另一方面也是政策和市場驅動。

在中國市場,動力電池技術路線的選擇,一直與政策緊密相連。從2012年國家出台新能源汽車產業規劃中對電池能量密度提出明確指標開始,在當時的技術條件下,幾乎已經決定了三元電池對磷酸鐵鋰的全面壓制。

可是近年來三元鋰一次又一次讓人擔憂、顧慮的電動車起火、自燃、爆炸事故,一再挑戰消費者心理底線,數據顯示搭載三元鋰電池電動車起火事故率高達88.9%。市場和新能源車企又重新燃起對磷酸鐵鋰的興趣。

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刀片電池有哪些核心優勢?

「在500℃的溫度下,磷酸鐵鋰材料結構都非常穩定,但三元鋰材料在200℃左右就會發生分解,且化學反應較劇烈,會釋放氧分子,更容易引發熱失控。」弗迪電池公司副總經理孫華軍表示。

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很明顯,以磷酸鐵鋰作為材料的刀片電池最核心的優勢就是安全性。在參觀電池工廠的過程中,工程師也現場演示了電池領域所有安全測試中最嚴苛、最尖端的性能檢測——針刺試驗。

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它是通過一個金屬針刺穿電池,模擬電池內部發生短路時的電池表現,而電芯內部短路也是電動車發生自燃最主要的因素。從試驗中我們可以看到:三元鋰電池在鋼針穿刺電池的一瞬間,隨即出現爆裂噴火燃燒,並伴隨有白煙出現,溫度感測器顯示電池內部長時間保持在600-700℃高溫;而之後比亞迪磷酸鐵鋰刀片電池測試中,現場並無明火,也沒有白煙,穿刺表面溫度只有30-60℃。

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刀片電池針刺試驗結果

除了安全性,結構上的創新也為刀片電池帶來了一系列優勢。

和過去電池Pack按照「電池-模組-整包」組裝模式不同,刀片電池的「刀片」樣式可以讓其通過陣列的方式進行排布,直接插入電池包,這種技術類似於寧德時代的CTP,不過寧德時代的CTP是將小模組整合成大模組,而刀片電池是完全取消模組環節。

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這有兩大利好:一方面減少電池包模組環節的冗餘零部件,可以適當為電動車減重,進而一定程度上提升電動車的操控性能,並降低能耗。

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另一方面,過去磷酸鐵鋰最大的劣勢——單位質量能量密度低,在結構創新之下,可提升電池包體積利用率50%以上,也就說相同大小的電池包,刀片電池能組裝更多電芯,來規避之前的短板。

所以,比亞迪首款搭載刀片電池的車型——漢EV,綜合工況續航里程可達到605公里,超越了目前絕大多數電動車,和小鵬P7、特斯拉Model 3長續航版共同躋身超一流續航。

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此外就是使用壽命優勢了。

以循環壽命為例,普通三元鋰電池大概在充放電1000-2000次左右出現容量衰減,而刀片電池材料結構的高穩定性可確保其在3000次之後才出現衰減,折算成公里數使用壽命大約為8年120公里,完全能滿足家用車的日常使用。

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刀片電池怎麼造出來的?

那麼,這麼強大的刀片電池又是如何造出來的呢?

答案就在重慶弗迪電池工廠身上。這個自2019年2月開工,到2020年3月刀片電池正式推出,僅用時一年的時間,一個擁有精益化、自動化、信息化製造管理系統的世界級工廠便誕生了。

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如果從生產工序來看,和普通鋰電池相比,刀片電池也一樣經歷配料、塗布、輥壓、疊片、裝配、烘烤、注液、檢測等8道工序,但刀片電池可以能他人所不能,自然有其殺手鐧。

比如嚴苛的生產環境和條件。孫華軍表示:

為了最大程度降低電池的短路率,他們提出了一個粉塵分級管控的概念,在一些關鍵工序上,能夠做到一立方米空間內,5微米的顆粒不超過29個,這達到了與液晶屏生產車間相同的標準。這是刀片電池高安全性的基礎;

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再比如製造工藝和精度達到了世界頂尖水平:配料系統的精度在0.2%以內;雙面同時塗布,塗布最大寬度達1300mm、單位面積塗敷重量偏差小於1%;1200mm超大幅寬的輥壓速度可達120m/min,厚度控制2μm以內,確保寬尺寸極片厚度的一致性……

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不僅於此,刀片電池生產之初,為了嚴守核心技術,很多關鍵製造環節比亞迪沒有引進外來工藝,都是自主研發。「將近1米長的極片,能夠實現公差控制在±0.3mm以內、單片疊片效率在0.3s/pcs的精度和速度,在國際上我們都屬於首創。這種疊片採用的是比亞迪完全獨立自主開發的設備和裁切方案,這是其他任何人想抄都抄不來的。」孫華軍說。

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可以說每一塊刀片電池的誕生,都是源自比亞迪對完美的不懈追求。

總結

1997年豐田雙擎技術的出現,既成就了自己,讓豐田一躍成為當時僅次於大眾的世界第二大汽車集團,也讓雙擎的產品優勢成為豐田和雷克薩斯最突出的產品標籤;關鍵是雙擎的出現改變了行業,以此為起點,本田i-MMD誕生,中國開始規劃新能源彎道超車戰略,奧迪、賓士也先後布局48V輕混技術,來降低困擾的能耗問題。

如今,將眼光聚焦到動力電池。刀片電池的橫空出世,其在安全、壽命上的核心競爭力,加上結構創新、材料創新帶來能量密度和超低溫充放電性能的提升,讓動力電池很好的兼顧了安全性和能量密度,也讓市場從續航里程至上回歸到安全第一的思考上。

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也許,若干年以後,刀片電池也會和豐田雙擎一樣改變世界。