动力锂电池的电压是 “针刺实验”争论过后，动力电池向左向右|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

“针刺实验”争论过后，动力电池向左向右

记者 | 侯卓铠

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近期一段时间内，一场动力电池“针刺实验”让比亚迪和宁德时代这两家头部动力电池公司进行了多次隔空对垒。大家关注的焦点也再一次回到了新能源汽车产业中避不开的磷酸铁锂电池和三元锂电池的路线纷争。

虽然这场争论因针刺实验而起，但在这背后，如何去提升动力电池安全才应是整个业界研讨、交流的真正价值所在。

动力电池的纷争

根据《中国汽车产业发展报告（2018）》中，将新能源汽车产业链划分为四大板块，其中产业链中上游材料的电池是由“正极”、“负极”、“隔膜”、“电解液”构成，在关键部件一栏中，储能则为“动力电池管理系统”。

目前，在政策和市场的引导下，国内企业在磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料前驱体、石墨负极材料、钛酸锂负极材料、电解液、PP/PE隔膜等动力电池关键材料方面，已经基本实现国产化。国内头部企业已经近乎完全掌握了化学电池的全产业链布局。

其中应用最为广泛的化学电池技术中，因为动力电池性能指标需要满足储能密度、循环寿命、充电速度、抗高低温和安全性五个维度，同时还要满足制造成本等，磷酸铁锂和三元锂电脱颖而出，分别成为客车和乘用车市场的绝对主力。不过，由此也拉开了磷酸铁锂和三元锂电的“纷争”。

在性能特性方面，磷酸铁锂和三元锂电并没有真正意义上差异，也是平分秋毫。

首先，在能量密度上，三元锂电的标称电压范围为3.6~4.3V，相较于磷酸铁锂3.2-3.3V较高。并且，三元锂电能量密度已经突破300WH/kg，而磷酸铁锂电池仍较难突破200WH/kg大关。

其次，在使用环境方面，三元锂电池低温限值为-30°，相比磷酸铁锂电池-20°更有优势，同时在相同低温条件下，三元锂电池冬季衰减不到15%，明显高于磷酸铁锂电池衰减高达30%以上，更加符合我国电动汽车用户的使用环境。但是，磷酸铁锂电池的热失控温度普遍在500°以上，这远比三元锂电池低于300°的参数，更为安全。

在循环次数和制造成本之间，数据显示，磷酸铁锂电池充放电循环次数大于3500次后才会开始衰减，而三元锂电池充放电循环次数则仅为2000次。同时，因为磷酸铁锂电池生产制造并不涉及贵重金属，其生产成本较低，反观三元锂电池则因为采用钴金属，其材料价格一直高企。

简而言之，三元锂电同等单位体积的能量密度比磷酸铁锂电池更高，且耐低温（寒冷地区续航里程更长）；磷酸铁锂则耐高温（安全性更好）、循环寿命长、制造成本低，两者各有优缺点，因此应用领域也有所不同。

单单罗列完两种电池技术路径的各项参数还是不够的，毕竟动力电池企业最终是要将电池组搭载在新能源汽车上，安全性在汽车这一消费品品类就尤为重要。

“针刺实验”究竟刺什么

让我们回到早前比亚迪和宁德时代的对垒话题之上。3月份比亚迪发布了一段磷磷酸铁锂“刀片电池”通过素有电池安全“珠穆朗玛峰”之称的针刺实验的视频，验证其在极端状况下电池的安全性能。

但宁德时代却认为这是在“滥用”针刺实验。随后，因网友“小鱼锂电”对从市场采购宁德时代NCM811和NCM523两款电池自行进行针刺实验均出现起火燃烧情况，而不得不也进行了相应针刺实验。

不过，第一次实验宁德时代针对整个电池包进行，直接导致钢针崩断。第二次实验显示，针对NCM523和NCM811电池电芯进行针刺，画面显示没有出现冒烟起火等现象。

根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）调查显示，在自燃率方面，电动车比燃油车出现的理论几率更低。不过随着全球汽车产业电动化趋势，早先一批次的电动汽车却频繁出现了自燃事故，例如前两年频繁曝出的电动汽车高速充满后的自燃事故，其中不乏特斯拉、蔚来等知名车企。

多数自燃事故的原因就在于，电池内部化学反应的产热速率远高于散热速率，大量热量在电池内部积累导致电池温度急速上升，最终引起电池起火或爆炸。

而动力电池针刺实验则是被称为电池实验界的“珠穆朗玛峰”。针刺实验要求将测试电池为满电状态，用直径为5-8mm的耐高温钢针，从垂直于电池极板正上方的进行贯穿，贯穿点位于贯穿面的几何中心，当钢针穿透电池后，工程师通过各项指标观察电池1小时。如果所测电池没有发生起火或爆炸则符合实验的要求。

根据2015版本的强制性国标《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》（GB/T31485-201）显示，国标就模组级别安全试验、电芯针刺试验、电芯跌落试验、电芯低气压试验、电芯海水浸泡试验、电池包跌落试验以及电池包翻转试验。

而在2019年1月，工信部发布的3项强制标准征求意见稿的通知，其中一项是关于GB《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》。意见稿中GB单体电池的要求，过放、过充、短路、加热、温度循环、挤压，一共五项安全测试，跟GB/T31485-2015的10项测试要求相比，减少了4项。其中，单体电池的针刺要求也在GB里面取消了。也就是说企业可以自行选择针刺实验，并不作为强制性实验项目。

为了向外界进一步证明实验的真实性，界面新闻记者近日在比亚迪弗迪重庆工厂现场观看了针刺实验全过程。和早前的实验结果一样，三元锂电池在针刺瞬间，电池包内部出现剧烈的温度变化，表面温度迅速攀升至500℃，并发生极端的电池热失控，导致剧烈冒烟燃烧现象。随后进行的比亚迪“刀片电池”在穿刺后无明火，无冒烟，电池表面的温度在30-60℃左右。在静置一段时间之后也未有明显冒烟爆燃现象发生。

对此，比亚迪汽车销售公司副总经理李云飞早前在微博上发文表示，针刺实验的目的就是为了让电池内部发生短路，以便在这种情况下看电池的热安全性。

“刀片电池”如何诞生的？

实际上，“刀片电池”是一种采用全新结构的“超级磷酸铁锂电池”。界面新闻记者查阅专利局资料后发现，“刀片电池”是将磷酸铁锂电芯长度阵列式排封装在600mm ≤ 第一尺寸 ≤ 2500mm 的电池包中，通过阵列式排布的大电芯，通过阵列的方式排布在一起，就像“刀片”一样堆叠在电池包里面。这种结构性设计方案不仅可以有效提高动力电池包的空间利用率，增加同一单位体积中的能量密度；而且还能保障电池内部的热扩散性能，从而达到安全的目的。

据比亚迪官方介绍，对比传统的磷酸铁锂电池，“刀片电池”的最主要的升级便是将电芯内部实现无模组设计，电芯直接集成为电池包（即CTP技术），从而大幅提升集成效率。

“刀片电池”通过结构创新，在成组时可以跳过“模组”，大幅提高了体积利用率，最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。相较传统的有模电池包，“刀片电池”的重量比能量密度可达到180Wh/kg，相比此前有模电池组提升大约9%，电池在同等体积下能量密度上比传统铁电池提升了约50%，而搭载了刀片电池的纯电动汽车续航表现可以达到约600公里，成本还能下降约30%。

对此，弗迪电池公司副总经理孙华军表示：“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。”

在性能方面，孙华军称：“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、循环充放电3000次以上可行驶120万公里，以及超出业内想象的低温性能等数据表现，也奠定了其全方位碾压三元锂电池的‘超级优势’。”

在重庆璧山区的弗迪电池工厂内，孙华军在介绍“刀片电池”生产工艺时表示，生产刀片电池最大的难点和亮点，主要集中在“八大工艺”。首先将近1米长的极片，必须实现公差控制在±0.3mm以内、单片叠片效率在0.3s/pcs的精度和速度。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，目前是全球首创。

除叠片之外，刀片电池生产过程中的配料、涂布、辊压、检测等其他工艺也需要达到世界顶尖水平。例如，配料系统的精度在0.2%以内；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%；1200mm超大幅宽的辊压速度可达120m/min，厚度控制2μm以内，确保宽尺寸极片厚度的一致性……

除此以外，弗迪工厂内部遍布生产车间、工序、条线的高精度传感器，数以百计的机器人，以及符合IATF16949&VDA6.3控制标准的品控体系等等，使得厂房设备硬件实现高度自动化，设备与设备之间的信息化，控制层面的智能化都是比亚迪对于“刀片电池”的投入。

动力电池市场格局

事实上，无论是磷酸铁锂或还是三元锂电池本质上并非绝对意义上的天然对立关系，而是有着各自优缺点的两种不同技术路线产物。早期而言，由于磷酸铁锂电池在续航里程等方面表现不如三元锂电池，在乘用车市场中三元锂电池装车量占据主导地位。

随着“刀片电池”在各项性能上与三元锂电池相差无几，未来磷酸铁锂电池在乘用车市场中的占比得到进一步提升将是大概率事件。

6月9日，据Automotive News Europe援引知情人士消息称，比亚迪和捷豹路虎正在洽谈动力电池合作计划，一旦双方达成合作，比亚迪将在英国建立首个欧洲电池生产中心。同时，该名消息人士还表示，作为合作计划的一部分，双方也在考察是否要在电驱动技术开发方面开展合作。

这也是继福特、丰田之后，又一家国外汽车品牌选择比亚迪在动力电池方面展开合作。

此外，在工信部发布的最新一批新车申请目录中显示，国产特斯拉Model3接下来也将开始装配磷酸铁锂电池。

不过，宁德时代也没停歇步伐。其在6月10日宣布，将推出新型长寿命电池。该款电池采用自修复长寿命技术，可实现16年超长寿命或200万公里行驶里程，成本较现有电池增加不到10%。

从市场角度而言，有竞争才有进步，无论是磷酸铁锂或还是三元锂电池眼下均还不具有互相革对方命的基础。而是基于各自优势拥有各自细分市场，而市场格局则仍旧将以两种技术路线并存的现状延续下去。

更好的锂电池什么样

作者：祁丽亚（北京大学博士、哈佛大学访问学者）

环保，节能，不限行，电费还便宜！尽管新能源汽车具备如此多的优点，但我们也常常看到，“高速上新能源车突然电量不足，无法坚持到下个服务区”“多车等待一个充电桩，排队4小时充电1小时”的新闻。“充电桩数量少”“充电时间长”“续航里程短”是新能源车主抱怨最多的三个点，也是长期制约新能源车发展的“三座大山”。如何翻越这“三座大山”，实现新能源车更广、更快、更好的普及呢？你一定想到了，电池！

西安新能源汽车产业“快马加鞭”。新华社记者刘潇摄

1 理想的锂电池跑得远、充电快、更安全

理想中，新能源汽车的电池至少得是这个样子：第一，它的容量得高，保证汽车跑得远；第二，它得充电快，保证等待时间短；第三，它的稳定性要强，保证上路更安全。如此，发展目标就很明确，就是要研发新一代“大容量”“高倍率”“长循环”的电池。

为了实现这样的目标，自1991年锂离子电池商业化以来，作为锂离子电池的核心组件，科学家们在锂离子电池的电极材料方面展开了大量的研究工作。

电池都有正负极，锂电池也不例外。无论正极材料还是负极材料，理想的电极材料都应该具备：良好的脱锂嵌锂可逆性、较高的质量比容量、平稳的氧化还原电位平台、较高的电子电导率、离子电导率与锂离子扩散系数和良好的稳定性等。正极材料与负极材料的区别在于锂离子嵌入的电位高低，嵌入电位较高者为正极材料，嵌入电位低的为负极材料。

锂离子电池的正极材料和负极材料的发展历程，也颇有故事。锂离子电池自90年代初由索尼公司首度商业化以来，经过二十几年的发展，已经发展出多种正极材料体系。最早商业化的正极材料是钴酸锂，它同时也是历史最久最成熟的锂离子电池正极材料，至今都有着非常广泛的应用。然而钴酸锂不是万能的，钴酸锂体系虽然能量密度高、比容量大，循环寿命和安全性较为可观，但是稳定性稍显不足，且在高电压工况条件下电池容量衰减较严重。

随后科研人员又开发出了锰酸锂体系，这虽然能够解决钴酸锂稳定性不足的问题，但是自身存在三价锰溶解的巨大缺陷，目前已经逐渐淡出了锂离子电池正极材料的舞台。磷酸铁锂体系由于锂离子脱嵌前后结构的稳定性、循环性好、锂离子循环后容量衰减缓慢、毒性低，从诞生之初就被认为是电动汽车电池最理想的正极材料，然而该体系的电子导电率较低，极大地影响了电池的整体性能。

由两种金属构成的正极材料无法很好地满足需求，科学家们又将目光投向了三元材料。三元材料镍钴锰酸锂是通过钴酸锂的掺杂制备而成，它的安全性比钴酸锂更高。三元材料在空气中易氧化形成不稳定的表面，出现结构缺陷和镍锂混排，使得材料内阻增加，电化学活性降低，产生晶间裂纹和微应变，形成额外的绝缘膜，增加材料阻抗，使三元材料性能下降。目前来看，三元材料的成熟商业化仍然有较长的路要走。

总体来看，锂电池的正极材料正朝着高比容量、高安全性、高循环效率的发展方向前进，传统材料尽管技术成熟，但是已经无法满足动力电池领域不断的需求，未来在正极材料领域会出现更多的突破性技术。

2022年7月，第28届中国兰州投资贸易洽谈会在甘肃省兰州市开幕。图为参展的新能源汽车。新华社记者张智敏摄

2 金属锂虽好却是“带刺的玫瑰”

锂电池的负极材料，同样是关键。它对于电池的首次循环效率、循环寿命、倍率性能和安全性能有着直接影响。第一代锂离子电池负极材料直接采用金属锂，但在充放电过程中容易产生枝晶。金属锂在长时间充放电后，表面就会长出枝晶。这就像光滑的平面突然长出千万根刺，可想而知这朵“带刺的玫瑰”最终可能会戳穿电池，造成短路，甚至引发爆炸。

第二代负极材料采用锂铝合金解决了金属锂产生枝晶的问题，但材料在循环过程中体积变化大，材料主体易粉化脱落，循环性不佳。第三代负极材料是釆用层状石墨碳材料，该材料在锂脱嵌过程中电位接近锂本身的电位，层状结构有利于锂的嵌入脱出，大大提高了锂离子电池的循环和安全性能。时至今日，大规模商业化的负极材料依然主要是石墨类碳材料和钛酸锂两大类。

尽管石墨类碳材料和钛酸锂在商业化方面比较成熟，但是这两类材料都有一个固有缺陷就是理论比容量都较低，这使得当前锂离子电池的能量密度还不能满足动力电池的更高要求。

因此，未来锂离子电池负极材料的发展可能会呈现“两条腿走路”的态势，一条是回归初心，重新选用金属锂作为负极材料，研究的重心集中于如何克服金属锂在长时间充放电过程中的枝晶问题；另一条路是针对目前对于高能量密度的紧迫需求，改善现有电池体系，有针对性地替换电极材料，并寻找可真正产业化、有应用前景的负极材料。

3 用铜房子隔绝金属锂的“刺”

经过大量的对比，我们团队最终锁定金属锂作为负极材料的研究重点，因为我们发现金属锂理论容量是目前商业化锂电池负极材料的10倍以上，而且它的导电性很好，是最为理想的负极材料之一。如果能妥善解决枝晶问题，那就离生产容量大，能快速充电的锂电池又近了一步。

如何解决枝晶问题呢？目前通用的解决办法之一是构建出三维铜集流体。金属锂负极需要用铜作为集流体，金属锂在长时间充放电后会长出枝晶，可能穿透隔膜造成短路甚至引起爆炸。研究表明，如果把平面铜做成三维铜，可减少绝对电流密度，从而抑制锂枝晶的生长；同时，三维结构的铜集流体可有效诱导锂沉积在基底内部，从而避免枝晶穿透隔膜。这就好像搭建一座铜房子，让“刺”在屋内生长，从而无法穿透房间。

可是问题又来了，直接构建这座房子不仅耗时耗力，而且成本很高，无法规模化生产。因此，这个研究仍止步于实验室，极大地限制了金属锂的商业化进程。因此如何能低成本、高效可重复性地制作出三维铜，是颇具挑战的研究课题。

我们尝试了多种方法，如水热法、气相沉积法等，但结果都不尽如人意。正当我们百思不得其解时，一个常见又有趣的现象引起了我们的关注。

在哈佛留学时，由于当地的波士顿龙虾非常有名，因此我经常买。蒸熟的龙虾呈现红色，但它的红色并非天生，而是由于高温使青黑色的龙虾变成了红色。正是这个再常见不过的现象让我突然想到：如果龙虾的红色不是天生而是后来转变的，那我们为什么要执着于直接制备红色的三维铜？如果我们可以让一种便宜的三维结构转化成铜呢？我们立即调整了研究方向：转化！与其从无到有直接搭建铜房子，不如先搭建一座便宜的布房子再粉刷上一层铜，使其变成红色的铜房子。点石成金无法实现，但点布成铜却具备可行性。

4 轻而薄的纸也可用来制作锂电池

在寻找的过程中，又一个有趣的小生物——贻贝进入了我们的视线。这种贝壳可分泌出一种黏性蛋白，这些黏性蛋白如同黏结剂一般使贻贝可以牢牢吸附在船底。对于船只而言，贻贝并不受欢迎，如果原本光滑的船底长满了贻贝则会使阻力大大增加，增加燃油消耗甚至对船底钢板也有腐蚀作用。

但这个让渔夫们无比头疼的小家伙，却给我们很大的启发，能不能模仿贻贝，来给金属锂建造一个表面牢牢吸附铜的“房子”呢？

自然界中贻贝分泌的黏性蛋白可牢牢吸附在几乎任何材料的表面。而贻贝黏蛋白的核心成分与多巴胺类似，因此可以使用多巴胺溶液来代替。将廉价易得的玻璃纤维布等，浸泡在多巴胺的溶液中，多巴胺能不能牢牢吸附在材料表面呢？

基于这样的想法，我们提出一种新颖的转化思路：在普通多孔材料表面包覆铜层，从而将基底材料变成三维铜骨架。整个过程分为聚多巴胺涂层的负载和铜单质的沉积两步。首先将基底材料浸泡于多巴胺溶液中，利用多巴胺的原位聚合，在材料表面负载聚多巴胺涂层；第二步利用聚多巴胺和铜离子的螯合作用，加入二甲胺硼烷加强还原作用，从而通过无电沉积成功将铜单质均匀包覆在纤维表面。

经过试验，白色的布房子果然变成了吸附多巴胺的黑色房子。再加入还原剂和铜离子溶液，反应24小时后，黑色的多巴胺房子真的变成了红色的铜房子。

材料表面最终变为红棕色，可直观证实铜单质的沉积成功。整个过程简单、高效、对环境无污染。

不仅如此，将玻璃纤维布换成其他更常见的材料，通过简单的浸泡，玻璃纤维、泡沫镍、聚碳酸酯滤膜、宣纸等常规无机及有机多孔材料都成功完成了三维储锂铜骨架的构建，也得到了令人满意的结果。这证实了方法的高效性，也极大拓宽了材料的可选择性。这意味着，这种转化方法不需要特别的化学试剂和仪器设备，就可将多种材料(无机、有机聚合物等)转换为三维储锂骨架。

制备好的新型电池进行电化学测试，循环600小时后库伦效率依然保持在94%，长周期循环性能显著提高。这种简单却具有普适性的方法可以将常见多孔材料转化成高效的储锂骨架，为构建三维集流体提供新的解决思路，大幅度降低电池成本。同时，三维储锂结构可有效调控锂离子沉积行为，从根本上调节锂金属成核和生长过程，有效抑制枝晶形成，推动锂金属负极二次电池的商业化。

基于此，我们在锂离子电池的能量密度、安全性和充放电速率方面取得了重大突破，并大幅度降低了电池生产成本，为新一代动力电池的设计和研发提供了合理可行的新思路。相关研究工作已经成功申请国际专利并在国际知名期刊发表多篇高水平论文。

可以想象，在不远的未来，我们有希望将手中轻而薄的纸，进行适当改性，也可用于制作大容量低成本的电池。

5 期望锂电池未来助力美好生活

在科技高速发展的今日，锂电池早已走进了千家万户，目前锂电池的应用领域主要集中于电动汽车、电子产品和航天等几大类。

在电动汽车领域，锂电池当前仍然是市场占比最高的首选能源，其清洁、零排放的优点在“双碳”政策下会进一步放大。随着技术的进步，目前锂离子电池电动汽车在里程、续航和安全性方面都有了较大的提高；电子产品领域是锂离子电池的传统优势领域，手机、数码相机、笔记本电脑的电池全都离不开锂离子电池。

随着充放电性能的不断提高，将使锂离子电池未来在电动工具领域的应用更加广泛。尽管在航天领域的应用大家不常听说，但实际上，早在2004年锂离子电池就被应用于火星着陆器和火星车中，目前航天领域中锂离子电池的应用主要在为发射、飞行校正、夜间操作等提供支持。

半个世纪的锂电池发展史波澜壮阔。时至今日，研究人员仍然在为研发更好的电池不断探索，期望锂电池未来能更好地为人类的美好生活助力。

《光明日报》（ 2022年07月21日16版）

来源：光明网-《光明日报》