三元锂电池从此“安全”了？

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北极星储能网讯:随着春暖花开时节的到来，汽车圈也变得热闹起来，新车、新技术频频发布，这周广汽埃安甩出了一个新名词“弹匣电池”，还在发布会上对搭载了新技术的电池包进行了针刺实验，实现了三元锂电池包针刺不起火。该技术一发布，有人说它是三元锂电池的新希望，也有人觉得“刀片电池要凉凉”，今天我们就不吹不黑的来聊一聊弹匣电池究竟如何？

何为“弹匣电池”？相信第一次听到这个名词的朋友一定会和我有一样的疑问，又是一种新的电池种类？实际上，它是广汽埃安发布的新的电池系统安全技术，可以理解为将电芯放入类似“弹匣”的安全舱里，是提升电池包整体安全的一种技术。

大家都知道，现在市面上乘用车的动力电池主要有三元锂和磷酸铁锂两大类。两者根据不同的特性，形成了分庭抗礼之势。不过单从安全性来说，磷酸铁锂电池因其耐热温度更高，相对来说更安全一些，在这点上磷酸铁锂电池的风头确实盖过了三元锂电池。尤其是随着高镍配备的三元锂电池的推出，其不稳定性和较差的耐热性，让不少人将三元锂电池和不安全划上了等号。

一组数据来展示弹匣电池技术安全方面的能力，电芯耐热温度提高30%，相邻电芯不容易发生热失控散热面积提升40%。上壳体耐温达到了1400摄氏度以上，及时速冷降温散热效率提高30%，第五代BMS系统，24小时、每秒10次采集数据，一有异常就能自动启动自救速冷系统。

从上述举例来看，很多厂商都在提升电池包整体安全性上做了努力，当中最重要的难点是如何平衡安全性、能量密度和成本问题。正如上面所说的通用在每两片电芯之间加入水冷板，这无疑会增加电池包整体的重量，增加传感器、增加隔热材料，这些无疑都会“侵占”电池包的体积，那同等大小的电池包内电池的容量就会变小，续航里程就会受到影响，这才是行业内的难点所在。

虽然广汽埃安没有公布具体是如何实现加强安全性能的同时，能量密度还能提高。不过业内不少专家认为，它大概率还是要通过整包的排布优化，来实现这种能量密度的提高。无论如何，从结果上看，我们消费者还是希望能提升安全性的同时，也不牺牲续航和提高成本。

看到这个试验，我们会不自觉地想到比亚迪刀片电池的针刺试验，同样是给电池起了新名字，然后用针去刺，但不同的是比亚迪是用单体电芯来做针刺试验，点击传送门大家可以看到我们对刀片电池针刺试验的详细解读。宁德时代也针对电池包做过针刺试验，那我们不禁要问针做错了什么？为什么都要和针刺过不去？

也是这个原因，在新的国家标准测试（GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》当中，取消了单体电芯针刺试验的强制要求。反而对热扩散提出了要求，“电池单体发生热失控后5分钟内不能起火爆炸，要为乘员预留出了逃生时间。”

枝晶体是锂离子电池的“副作用”，它是能穿透电池正负极之间的隔膜，引起电池内部短路的。针刺试验则可以验证电芯内部短路后，电芯热失控的扩散情况。

所以外行看热闹，内行看门道，单体电芯也好整个电池包也罢，针刺试验从来都不是看针刺是否能引起热失控，因为它本身就是在模拟短路状态下，热失控的程度以及看能不能将热失控控制住做到不扩散。

●刀片电池就此凉凉了？

弹匣电池的针刺试验一发布，就有人将它和比亚迪刀片电池的试验做对比，一种观点是“弹匣电池让三元锂电池通过了测试，刀片电池就要凉了。”另一种观点是“刀片电池测试的单体电芯的安全性，而弹匣电池用的是整个电池包，是偷换了概念。”

弹匣电池技术则是通过一整套技术控制住了热扩散，两者无法简单的对比。采用更加安全的单体电芯是提升安全性的方法，而提升整个电池包系统的安全性则是另一种方法。刀片电池是突出了自身磷酸铁锂安全的优势，但最重要的贡献是在于通过去模组化的布局将电池包体积能量密度提升到了和三元锂电池包一样，而弹匣电池则是在努力补齐三元锂电池的短板，即安全性差，两者算是殊途同归，都是为了实现了低成本、高续航、高安全的目标。至于谁替代谁的问题，两种电池包依然是各有优缺点，中短期来看，磷酸铁锂和三元锂两者之间的“掰头”还无法分出最终的胜负，各自占领一方势力的情况还要延续一阵。

编辑点评：

不吹不黑的说，弹匣电池虽然没有带来三元锂电池体系和本质上的技术突破，但将整包电池安全性提升了一个台阶。其实无论电池包被冠以什么名字，是磷酸铁锂电池包还是三元锂电池包，只要大家关注的重点在于安全性，厂商愿意在这些看不见的地方下功夫，就是消费者的“福音”。同时，这也说明国内电动车并没有进入“闭眼狂奔”的阶段，而这才是行业良性发展该有的样子。

原标题:超级播报：三元锂电池从此“安全”了？

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Science封面：三元锂电池安全性差、寿命短问题已解决

晓查 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI

多年来，电池行业一直在阳极材料上做文章。

不同的电动汽车用着不同材料的电池，比如磷酸铁锂电池、三元锂电池。

目的都是让电池能量密度大一些、安全性再高一些、寿命再长一些，然而三者却往往是矛盾的。

但最近，美国能源部所属的西北太平洋国家实验室 （PNNL）的华人研究团队发现，鱼和熊掌可以兼得。

他们使用高镍含量的单晶材料作为阴极，既增加了锂电池容量，也提升了安全性、寿命。

与现在电动汽车中使用的锂离子电池相比，单晶富镍材料能多出25％ 的电池容量，可以制造能量密度250Wh/kg的锂电池。

这项锂离子电池的重要研究工作，发表在今天的Science封面 上。

和许多“纸上谈兵”的论文不同，这项技术走出了实验室：

PNNL团队已经与最大的电动汽车锂供应商 Albemarle合作，并展示了这种材料千克量级的生产工艺。

△ 单晶富镍电池材料

镍：容量与安全的矛盾

镍在锂电池中起着重要的调控作用。

除了磷酸铁锂电池，大部分锂离子电池都含有镍。比如电动汽车上常用的三元电池，它的化学式为LiNixMnyCo1-x-yO2 ，一般x=y=1/3。

PNNL团队制作的材料化学式为LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2，他们将这种比例的材料称为NMC76。

镍含量越高，电池的能量密度也就越高。若镍含量超过60%（x=0.6），电池可用容量会进一步增加，但是阳极稳定性将变差，安全性问题也随之而来。

主要原因是高镍含量的材料对湿气敏感，会导致充放电过程中有害副反应的发生，并且有气体生成，从而降低电池的寿命和安全性。

NMC76材料避免这些缺点的办法就是制成单晶 。

用单晶克服缺点

锂电池的阳极材料为多晶形式，优点是充放电更快，但材料也会释放到电解质中，导致电池不可逆的损坏。

使用单晶材料则可以减弱多晶材料的损坏。

多晶电池材料的晶体尺寸为纳米量级，为PNNL团队制造的晶体尺寸增大到了微米量级。

你可以把单晶和多晶想象成冰块和碎冰碴，在重量相同的情况下，冰块的融化速度更慢，更能抵抗高温和其他外力破坏。

但是，材料放电过程会释放锂离子，会破坏晶体结构吗？答案是肯定的，但是影响不大，因为材料具有一定的自我修复能力。

研究团队发现富镍单晶阴极破裂的原因是由于晶体滑移 造成的。

从上面的电子显微镜图像（E和F）中可以看到，这种材料是一种多层的结构，因此它在释放锂离子过程中，不会像多晶材料那样崩解，而是层之间相互滑动。

充电过程中，锂离子的相互作用可以部分地逆转滑移，当锂离子在进入晶格时会在一个方向上产生应力，与锂离子离开晶格时产生的应力方向相反。

这有些类似于扑克牌，每次充放电就相当于一个洗牌过程，每次洗牌都会导致牌之间稍有错位，但是大致还是对齐的。

不过这种损坏还是无法避免，研究小组正在探索稳定晶格的方法。

研究人员发现，在4.2伏左右的通用充电电压下，可最大程度地减少电极损坏。200次充放电循环后，电池仍有86.5%的容量。

研究团队

这项研究来自美国能源部PNNL实验室的华人团队，第一作者是Yujing Bi博士。

Yujing Bi在中科院宁波材料技术与工程研究所获得博士学位，2018年进入PNNL。

她2008年毕业于纽约州立大学宾汉姆顿分校，之后加入PNNL，担任博士后研究助理，目前是电池和材料系统的首席科学家兼小组负责人。她还是Clarivate Analytics统计的前1%的高引学者。

论文地址：https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313

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