Q我是電動汽車的銷售員，最近有幾位車主購車時問到關(guān)于動力電池發(fā)生碰撞所涉及的安全問題，以及三元鋰、磷酸鐵鋰和刀片電池“針刺試驗”的相關(guān)問題，我感到難以全面回答。請教汪老師，電池“針刺試驗”是怎么回事？如何評價動力電池的性能？

廣東讀者：樊頗崗

A電動車動力電池的安全問題，曾給深圳人留下了極為深刻的記憶。2012年5月的一個深夜，深圳市濱海路上一輛正常行駛的比亞迪電動出租車，被另一輛時速超過190km/h的汽車猛烈撞擊，當場引起二次碰撞，發(fā)生火災(zāi)，造成包括駕駛員和乘客在內(nèi)三人同時死亡。第二天，謠傳比亞迪的磷酸鐵鋰電池爆炸，引起比亞迪股價大跌，比亞迪瞬間虧損四十多億。

動力電池的安全性能，顯然是廣大車主最為關(guān)注的。當前電動車上使用最多的兩種電池均是鋰電池，分別是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。全面評價動力電池的性能，主要集中在安全、能量密度和使用壽命等方面。由于電池材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的差異，相對來說，磷酸鐵鋰電池的熱穩(wěn)定性好，最安全，而且使用壽命更長，成本也更低。而三元鋰電池的突出優(yōu)點是能量密度大，實車電池包比磷酸鐵鋰電池輕150kg。電池輕量化使車輛續(xù)航里程大幅提升，可以達到800km的水平，這也是三元鋰電池深受車友歡迎的主要原因。

三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，各有長處和短處，究竟哪種電池更優(yōu)？目前業(yè)界尚無定論，這也是促使電池進步的動力?！搬槾淘囼灐笔悄M車輛發(fā)生嚴重事故時，尖銳金屬一旦刺穿電芯，引起電池熱失控后反應(yīng)的試驗，屬于最嚴苛的電池安全測試（圖3）。

圖3 電池針剌試驗的裝置

電池的針刺試驗，簡單來說是將充滿電的電池平置，用鋼針垂直打入電芯中，保持5s時間，針體造成電池內(nèi)物質(zhì)的短路，電能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，造成瞬間放電，能量集中釋放和爆發(fā)(圖4)。測試表明：在針刺試驗中，有70%的鋰電池能量在1min內(nèi)釋放，導(dǎo)致極短時間內(nèi)溫度急劇上升，電池可能發(fā)生冒煙和漏液現(xiàn)象，繼而引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致熱失控，甚至引起爆炸和火災(zāi)等嚴重安全事故。

圖4 針剌引起短路電流示意圖

有專業(yè)廠家的相關(guān)人士對電池針刺試驗有不同看法，認為電池包外有堅固的金屬防護，針刺破壞不可能到達電芯內(nèi)部。官方也于2017年發(fā)布相關(guān)規(guī)定，針刺試驗被列為暫不執(zhí)行項目。但是，隨著我國電動車的技術(shù)進步與迅猛發(fā)展，考慮到電池安全事故主要是發(fā)生熱失控，針刺實驗是模擬熱失控誘因的一種非常嚴酷的有效測試。所以2020年，官方發(fā)布電動汽車的強制性2020-GB30381標準，又將針刺的熱擴散試驗列入其內(nèi)。

在電池針刺試驗中，曾采用φ8mm的鋼針、銅針和塑料針做穿刺。結(jié)論是銅針導(dǎo)致電池內(nèi)發(fā)生嚴重短路，電壓降的速率很快，不到2h就會基本放完電，針刺點的溫度在150℃左右。采用鋼針做穿刺，有的16h仍未完全放電。而塑料針造成的短路極微弱，甚至觀察不到內(nèi)短路現(xiàn)象，溫度亦低于50℃。針刺試驗中的針徑有φ2mm、φ3mm、φ8mm和φ10mm等數(shù)種，測試表明，采用粗針大多放電速率快，但有時細針放電更快，證明針徑對短路的影響并不大。針刺的速率較快時，引起短路電流，易將金屬針的尖端融化，往往使電池內(nèi)短路出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，反而會降低放電速率。圖5所示為針刺試驗的電壓降與時間的關(guān)系。

圖5 針刺試驗的電壓降與時間關(guān)系

專業(yè)的針刺試驗曾在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和刀片電池等三種不同動力電池上做對比測試，結(jié)論是三元鋰電池發(fā)生劇烈燃燒，表面溫度超過500℃；磷酸鐵鋰電池產(chǎn)生大量煙霧，但電池即使丟在火里也不燃燒，沒有明火，溫度為200～400℃；表現(xiàn)最好的是刀片電池，散熱極快，針刺測試既沒有明火也無煙霧，表面溫度不到60℃，甚至“連雞蛋都烤不熟”。

刀片電池屬磷酸鐵鋰技術(shù)的創(chuàng)新，電池包組成時跳過“模組”，由電芯直接構(gòu)成，大幅提高了電池的體積利用率，電池能量密度幾乎接近三元鋰電池水平(圖6)。刀片電池的續(xù)航里程比磷酸鐵鋰電池提升50%以上，針刺試驗表明刀片電池可杜絕燃爆現(xiàn)象，具有安全可靠、行駛壽命長、續(xù)航里程長等特點，其優(yōu)勢是十分明顯的。

圖6 刀片電池的外形