近些年来,只要一提到电动汽车的电池,很多人脑海里可能第一个闪现出来的就是比亚迪的“刀片电池”。
这个名字听起来就很有科技感,而且它最出名的一件事,就是通过了号称电池安全“珠穆朗玛峰”的针刺实验,这个实验模拟了电池在遭受极端物理损伤时的反应,而刀片电池在被钢针刺穿后没有起火、没有爆炸,表现得非常稳定,一下子就给广大消费者留下了“安全”的深刻烙印。
按理说,这么一项备受赞誉的技术,应该是没什么可挑剔的了。
但是,随着搭载刀片电池的车辆保有量越来越大,网络上开始零星出现一些关于刀片电池发生“鼓包”现象的讨论和案例。
这就让很多人心里犯起了嘀咕:不是说好的很安全、很先进吗?
怎么还会像手机电池用久了那样鼓起来呢?
这到底是个别车辆的问题,还是说这项技术本身就存在着一些我们不了解的特性?
今天,咱们就用大白话,不讲那些复杂的化学公式和工程术语,好好聊一聊这个话题,把刀片电池的来龙去脉和它可能鼓包的原因,都掰开了揉碎了说清楚。
要想弄明白刀片电池的特别之处,我们得先了解一下现在电动汽车里装的动力电池,大概都长什么样。
其实,它们就像一个大家族,虽然核心技术都是锂离子电池,但根据外形和包装方式的不同,主要分成了三个“流派”。
第一种,叫圆柱电池。
这个最好理解,它长得就跟我们家里遥控器用的5号电池差不多,只是个头更大,能量更足。
这种电池是技术最老的,工艺也最成熟稳定。
最喜欢用它的就是特斯拉,他们在一辆车里会装上成千上万个这样的小圆柱电芯,再用一套非常复杂的电池管理系统把它们串联并联起来,协同工作。
这种做法的好处是单个电芯的生产成本低,一致性好。
但缺点也显而易见,这么多“小兵”要统一管理,对“司令部”的要求极高,而且圆柱体之间堆叠,总会有很多空隙,空间利用率不算高。
第二种,叫软包电池。
顾名思义,它的外壳是软的,用的是一种类似加厚版薯片包装袋的铝塑膜材料。
它的优点是能量密度可以做得很高,而且形状灵活,可以根据车辆底盘的形状来定制,见缝插针地利用空间。
但它的缺点也和优点一样突出,就是因为它“软”,所以自身强度很差,非常怕磕碰,需要额外设计很多保护结构,这对车辆的长期使用和耐久性是个不小的考验,所以用它的车企相对少一些。
第三种,就是方形电池。
它的外壳是硬的,通常是铝合金材质,外形就像一块块方方正正的金属砖头。
这种电池可以说是目前市场上的主流选择,因为它在性能、安全、成本和生产难度等各个方面都取得了一个很好的平衡,不好高骛远,也不偏科,综合实力非常强。
国内的电池巨头宁德时代,就是方形电池领域的佼佼者。
好了,了解完这三个“流派”,我们再来看今天的主角——刀片电池。
它到底属于哪一派呢?
答案是,它本质上就是方形电池的一种。
只不过,比亚迪的工程师们进行了一项堪称“脑洞大开”的结构性创新。
他们没有去改变电池内部的化学材料,而是彻底改变了方形电池的外形。
普通的方形电池,可能像一块厚厚的字典,而刀片电池,则被拉成了一片又长又薄的“刀片”。
举个实际的例子,像比亚迪宋PLUS EV车型上用的电芯,长度能达到将近一米,而厚度却只有一厘米多一点。
为什么要费这么大劲,把电池做成这个奇特的形状呢?
这就得说到这项创新最核心的妙处了。
在过去,制造一个电动车电池包,就像是在车底盘上盖一间房子。
首先,要把一块块像“砖头”一样的电芯,先组合成一个个“模组”,这就像是先砌好一面面小墙。
然后,再把这些“小墙”和许多起支撑作用的钢筋水泥,也就是电池包内部的横梁、纵梁,一起固定在“地基”上,最终形成一个完整的电池包。
你看,这里面又是模组外壳,又是各种横梁纵梁,占用了大量宝贵的内部空间。
这些被占用的空间,对于追求续航里程的电动车来说,每一寸都是浪费。
比亚迪的工程师们就想,能不能把这些碍事的模组和横梁都去掉呢?
他们从刀片电池的细长外形上找到了答案。
因为这个电芯本身就做得又长又坚固,它自己就具备了梁的特性,可以承担一部分结构强度。
于是,他们开创性地提出了“无模组”技术,也叫CTP技术。
简单来说,就是直接跳过了“砌小墙”这一步,直接把一根根长长的“刀片”电芯,像排列书架上的书一样,紧密地排列在电池包里。
这样一来,中间的模组结构和大部分横梁纵梁都省掉了,电池包内部的空间利用率一下子就提高了百分之五十以上。
同样大小的电池包,以前可能只能装400公里的续航电量,现在就能装下500甚至600公里的电量。
这个结构创新,极大地弥补了磷酸铁锂电池材料本身能量密度不如三元锂电池的短板,让这种更安全、成本更低的电池重新焕发了生机,这绝对是中国在新能源领域一次非常了不起的进步。
然而,任何一项工程技术,在解决一个问题的同时,都可能会带来新的挑战,这是一个普遍规律。
刀片电池巧妙的设计,也同样遵循这个规律。
我们回到最初的问题:它为什么会鼓包?
首先我们要明白一个基本事实:任何锂离子电池,在其整个生命周期中,内部都会或多或少地产生一些气体。
这是电池在充放电过程中发生化学反应时,不可避免会产生的一些副产物。
这些气体的产生,会导致电芯内部的压力慢慢增大。
当压力积累到一定程度,就会向外推动电池的外壳,从而形成我们肉眼可见的“鼓包”。
那么,为什么刀片电池这种细长的结构,对这个现象会更敏感一些呢?
我们可以打两个比方。
第一,想象一下你手里有一根短而粗的木棍和一根长而细的竹竿。
你想用手把木棍掰弯,需要花很大的力气。
但要让那根细长的竹竿产生弯曲,是不是就容易得多?
刀片电池近一米的长度,使得它在车辆日常行驶的颠簸、震动以及热胀冷缩中,受到的力会更加复杂,尤其是在它的中间部分,更容易产生应力的集中,这对它的封装工艺和外壳强度提出了更高的要求。
第二,也是更关键的一个比方。
想象一下你往两个容器里吹气,一个是一个小小的、方方正正的金属盒子,另一个是一个又长又扁的长方形密封袋。
当你往里面吹同样多的气时,小方盒因为外壳刚性好,表面积小,可能看不出任何变化。
但是那个又长又扁的密封袋,它那两个面积巨大的、平坦的侧面,会非常明显地向外鼓起来。
刀片电池就有点类似这个长方形密封袋。
它那宽大而平坦的侧面,成为了内部气体压力最直接的受力点。
一点点内部压力的增加,作用在如此巨大的表面积上,就会被放大,从而导致肉眼可见的轻微形变,也就是我们所说的“鼓包”。
所以,综合来看,刀片电池相对更容易被观察到鼓包现象,并不是说它的化学体系本身比别的电池更容易产气,或者说它的安全性有问题。
更深层次的原因在于,它那为了实现高空间利用率而设计的“细长”物理结构,在物理特性上,对内部压力的变化更加敏感。
一个在传统短胖方形电池上可能微不足道、完全无法察觉的内部压力变化,在刀片电池这种大表面积的结构上,就可能被显现出来。
这可以说是一项突破性设计所带来的一个伴生现象,是工程师们在追求更高续航和更优结构时,需要面对和持续优化的一个平衡点。
技术的进步总是在不断发现问题、解决问题的过程中螺旋式上升的。
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