比亞迪刀片電池技術真的能與三元電池相抗衡嗎?

早在今年1月時，比亞迪董事長兼總裁王傳福就曾表示，比亞迪正在開發新一代磷酸鐵鋰電池――「刀片電池」，並稱這款擁有300項核心專利的電池將會在今年3月量產。EDN曾對這款具有爭議的電池進行了報導：《比亞迪刀片電池引爭議：300項核心專利真的存在嗎？》XzWednc

3月29日， 面對質疑，比亞迪正式推出了自研的新一代磷酸鐵鋰電池——「刀片電池」，並宣布該電池已經量產。XzWednc

比亞迪董事長兼總裁王傳福表示，刀片電池技術將帶來超強安全性與超長循環壽命，其電池結構設計，克服了傳統磷酸鐵鋰電池能量密度低的劣勢，也將改變行業對三元鋰電池的依賴，將「自燃」從新能源汽車的字典中徹底抹掉。XzWednc

突破磷酸鐵鋰電池組能量密度

傳統磷酸鐵鋰電池包含三層結構：電芯，模組和電池包，電芯和模組的支撐固定結構件會佔據很大一部分空間。XzWednc

發布會上比亞迪弗迪電池董事長何龍就介紹道：電池芯在單個電池模組裡的空間利用率只有80%，剩下的空間都被結構件所佔據；而模組與模組之間也需要梁來保證電池的強度，致使電池模組在電池包裡的空間率只有50%。XzWednc

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如此一來，傳統電池包裡，真正能發揮作用的電池只佔據了電池包裡40%的空間，這與新能源汽車消費領域所要求的高能量密度、長續航無疑是相悖的。XzWednc

比亞迪「刀片電池」通過結構創新，直接將電池芯拉長，「長電芯」就像刀片一樣固定在電池包的邊框上，在成組時可以跳過「模組」，大幅提高了體積利用率，最終達成在同樣的空間內裝入更多電芯的設計目標。相較傳統的有模組電池包，「刀片電池」在電池包裡的空間率達到60%以上。空間率越高，體積能量密度就越大，電池的續航能力也越強，續航裡程已經達到了高能量三元鋰電池的同等水平。XzWednc

針刺實驗對比， 刀片電池「很冷靜」

眾所周知，做好一款動力電池產品，還需要經過振動試驗、模擬碰撞、擠壓和海水浸泡等一系列實驗。XzWednc

其中，「針刺穿透測試」是行業內公認的對電池電芯安全性最為嚴苛的檢測手段。這一測試要求用鋼針將動力電池電芯刺穿，造成電芯內部的大面積短路，從而引發電池熱失控，進而測試電池的安全性能。XzWednc

針刺實驗的大致方法是，將動力電池充滿電，用直徑為 5-8mm 的耐高溫鋼針，以（25±5）mm/s 的速度，從垂直於電池極板的方向貫穿，貫穿位置宜靠近所刺面的幾何中心，鋼針停留在電池中，觀察 1 小時，不起火、不爆炸才算合格。XzWednc

比亞迪在發布會當天播放了一段對比三種電池針刺測試的視頻回應了之前網絡上對於刀片電池超強安全性的質疑。XzWednc

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在同樣的測試條件下，三元鋰電池在針刺瞬間出現劇烈的溫度變化，表面溫度迅速超過500℃，並發生極端的熱失控——劇烈燃燒現象，電池表面的雞蛋被炸飛；傳統塊狀磷酸鐵鋰電池在被穿刺後無明火，有煙，表面溫度達到了200℃-400℃，電池表面的雞蛋被高溫烤焦；比亞迪「刀片電池」在穿透後無明火，無煙，電池表面的溫度僅有30-60℃左右，電池表面的雞蛋無變化，仍處於可流動的液體狀態。這一結果足以證明「刀片電池」徹底擺脫了傳統動力電池可能會發生的「熱失控」的噩夢，其安全性具有無可比擬的優勢。XzWednc

為了進一步分析比亞迪刀片電池技術的優勢， 清華大學材料科學與工程博士劉冠偉撰寫了一篇深度分析文章，在獲得劉博士的授權後，EDN將本文分享給大家：XzWednc

為什麼比亞迪刀片電池技術能明顯提高動力電池包能量密度？

其實，（類似於）刀片電池的長電芯-簡化模組思路，在汽車業內已經受到大家的重點關注有一段時間了，而比亞迪的刀片電池可以說是在這方面創新的一個集中體現。不管是比亞迪的刀片電池，還是寧德時代的CTP (cell-to-pack，單體電芯到電池包)技術，他們是有共性的，即：傳統上的電池包需要層層集成——電芯cell-模組module-電池包pack三級，而通過刀片/CTP技術可以減少模組級的結構件，並極大的簡化電池包上的裝配支撐結構，使得整個電池包結構明顯簡化，從而形成了近似於電芯-電池包的兩級集成方案。與三級集成方案相比，在體積上提高50%集成效率是有可能的。XzWednc

所以傳統電池包內部一般長的是什麼樣子？XzWednc

1） 首先咱們先看一下電芯集成的模組XzWednc

從以下兩圖，不難看出不論是基於方形還是軟包電芯的模組，其都包括了許多結構件，比如低壓線束、端側板等（都有簡化的可能），因此C-M(電芯到模組)的質量集成效率常常有90%左右。XzWednc

而體積集成效率可以進行簡單估算：355模組的尺寸是：355*151*108，如果是基於方形電芯構成的話其包括12個148*91*28的電芯。通過計算電芯總體積/模組總體積，可以得到C-M(電芯到模組)體積集成效率大約為78%，注意了，大有提升潛力空間哦。XzWednc

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典型軟包電芯模組示意圖，摘自沐風網XzWednc

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典型方形電芯模組示意圖，摘自沐風網XzWednc

2） 再看一般電池包的結構XzWednc

目前市面上常見的電池包很多基於小模組（比如355）+電池包內各種固定件、支撐件得來，模組結構件+高壓連接+線束+固定件+支撐件+其它件當然佔據了相當多的體積和質量，所以集成效率不會太高，大家都希望可以進一步的提高集成效率，在有限的質量和空間中達到更高的電池包能量。XzWednc

在這裡需要大家注意，對於動力電池（包）來說，體積能量密度其實更重要，因為乘用車的底盤空間有限，不能容納一個體積很大（尤其是z軸高度很高，在這裡給z軸方向劃重點）的電池包。越是對於底盤偏矮的轎車/跑車這個要求越突出（低矮的車更「性感」，符合當下汽車設計的方向）。因此如果我們要討論集成效率提升的話，體積利用效率是最直接最有效的研究判斷指標，而不是只執著於常見的質量能量密度Wh/kg。XzWednc

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典型電池包結構示意圖XzWednc

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奧迪e-tron 電池包結構，注意橙色的線束佔據的體積XzWednc

刀片電池技術對於電池包體積能量密度的提升XzWednc

那麼在這裡，大家可以看看刀片電池（電芯+電池包）的樣子，最簡單的就是直接把比亞迪申請的幾個專利下載一下，看看他們放的原圖和說明（其實讀一下就發現人家放圖和說明已經很詳細啦，我們只需要搬運+整理出主要內容就可以）XzWednc

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BYD專利中給出的典型的基於刀片電芯做成的電池包結構示意圖XzWednc

對比之後，我們可以直接總結一下刀片電池（包）解決方案可以有效提高體積能量密度的原因：XzWednc

1） 單體電芯長條化->大電芯化帶來的更高能量密度XzWednc

這倒不是什麼太新奇的思路，為了提高能量密度，本來大電芯就是公認的發展方向。當然，電芯做到多大是「比較科學的最大」，安全性如何，冷卻怎麼保證，這是需要進行仔細平衡優化的。XzWednc

2） 單體電芯長條化，兩端出極耳的設計使得電池包高度z軸方向利用率可以明顯提高XzWednc

在這裡，之前BatteryPack發表的《比亞迪的刀片電池為什麼能提高50%的能量密度？》一文已經給出了非常直觀的基於模組的示意圖說明和計算分析，即：「1100mm，長度在1600mm。下面回顧一下小學知識，以150mm Z向高度來說，Z向多利用1mm，整個體積利用率就多提高0.67%。Y向多利用1mm，整個體積利用率才提高不到0.1%，X向就更小了。所以增加卷芯在Z向的尺寸是最重要的，也是刀片電池在PACK層級體積能量密度提高的主要原因。」XzWednc

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刀片電池（芯）在z向更好的空間利用率，圖片摘自公眾號BatteryPackXzWednc

而在這裡，我們可以把上文中電芯/模組示意進一步外推放大到電池整包來對比一下，大家可以更直觀的感受到體積利用率的明顯提高。XzWednc

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傳統電池包z軸剖面空間利用示意圖XzWednc

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刀片電池包z軸剖面空間利用示意圖XzWednc

3） 沿車體寬度空間利用率的提高XzWednc

繼續剛才一部分的分析：實際上不僅z軸，沿剖面的寬度方向的利用率提高幅度也應該是不小的：沿寬度方向可能就只有兩個電芯（長度可能是600-1000mm），甚至只有一個電芯布局。其實這樣的設計理念有點「大模組」的意思，其實也是目前很多OEM技術發展的一個方向。XzWednc

4） 模組結構的簡化XzWednc

傳統的模組為了保證其作為一個獨立的單元具有良好的力學性能，需要側板端板等防護結構，因為多級集成也需要低壓線束、高壓連接等電氣元件。在使用刀片電芯技術後，這些結構可以得到極大的簡化，但是遺憾的是，因為BYD沒有放出官方的更詳細的結構示意圖，這裡只能參考傳統模組結構，再基於刀片CTP的特點進行推理。但是不難推斷：在體積利用方面，只在這一個環節從傳統的78%（前面計算得到值 ）提升到90%以上完全是有可能的（這就是10+%的提升）。XzWednc

5） 電池包整體結構/元件需求極大的簡化XzWednc

相對更為簡單的電芯結構和集成方案使得電池包固定件+防護結構件等用量明顯減少使得製造更容易、成本更低、集成效率更高。對於刀片電池集成的電池包，方形剛性外殼的電芯本身較長的長度就可以承擔/分擔一部分系統的力上的支撐，從而減少電池包系統層級上需要的機械加固結構需求；更大尺寸的電芯/近似模組的設計使得在電池包等級上的裝配生產複雜度和成本明顯降低，質量和體積上更緊湊，利用率肯定更高。更加一體化的設計理念也可以很好的提高水冷、加熱等元件的集成度。XzWednc

而基於相對規整的電芯做出的電池包外形也會在體積上更為規整緊湊，更多的處於汽車碰撞中的安全區內，這對於電池包殼體的撞擊保護的需求也會帶來降低，從而形成一個電池包緊湊化->置於更安全的位置-> 可以更少使用力學保護結構 -> 使電池包結構近一步緊湊化的正反饋循環。XzWednc

基於以上幾點的優勢疊加，假如每一個因素都能提高10%左右，不難看出相比於傳統電池包，基於刀片電池單體的電池包的體積利用率完全有可能提高40~50%。XzWednc

刀片電池技術+磷酸鐵鋰的電池包基本數據性能與三元電池相比有競爭力嗎？

更進一步的，我們可以試著推理一下（半定量，不能保證數據足夠嚴謹但是可供參考）其基於刀片電池+磷酸鐵鋰化學體系能達到的電芯級與電池包級的能量密度，以及其與目前典型的三元電池包的對比。不難看出，基於刀片電池技術，磷酸鐵鋰電池系統完全可以在能量密度上與現在市面上主流的三元電池相匹敵，在乘用車細分市場中打開更廣闊的天地。而且不要忘記，磷酸鐵鋰電芯本身成本就更低，而體積能量密度提高來自於電池包等級上結構部件的節省，這也會進一步的使成本更有競爭力。XzWednc

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*刀片電池(質量基於80%集成效率，體積基於傳統三元電池包集成效率45%的1.5倍為67%估計)XzWednc

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典型的刀片電池包的電芯堆疊情況示意圖XzWednc

挑戰？

當然刀片電池也不是完全只有優點，也會帶來一些技術上的挑戰：比如新型長電芯是一個類似於COMBO MODULE的設計概念，是一個電芯裡面套幾個卷芯再用隔間隔開的結構；多個注液口的注液密封、多個卷芯等帶來的一致性控制的難度 ；這種更長/大電芯的安全性可能會更有挑戰（如果做的是鐵鋰倒是可以被磷酸鐵鋰的本徵安全性抵消一部分）。XzWednc

但是總體來說，這對於每一點能量密度上升、成本下降都不容易的動力電池領域來說，這就是一個很大的創新：創新並不是僅限於電化化學體系上，電芯結構設計、系統集成同樣十分重要甚至有可能有更多潛力可挖。也希望行業內的同仁們一起努力，共同進一步推動動力電池技術的發展。XzWednc

參考文獻：XzWednc

• CN201910544929-電池包、車輛和儲能裝置-申請公開
• CN201911011713-一種鋰離子電池、電池模組、電池包及汽車-申請公開
• CN201911012284-一種電池、電池模組、電池包和電動車-申請公開

（註：劉博士文章首發於公眾號2030出行研究室，本站轉載已獲授權，如需轉載請聯繫2030出行研究室。責編：Demi Xia）XzWednc