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现阶段主要从电池本身材料特性以及一些主、被动安全设计上做功课，但是长期来看，要从根源上防止热失控必须提前进行预测。 在全面转型电气化的过程中，电动汽车电池“起火”已经触及各方的底线，无论是消费者、制造者还是社会管理者。 这其中，电池制造商面临着双向的压力，一方面政策上规定单体电池热失控后，电池系统五分钟不起火，另一方面车企为了降成本推进大模组、CTP方案，势必会让电芯布局更加紧凑，对“热”的管理要求更高。 为了解决这个问题，各个公司都陆续推出了一系列的电池解决方案。去年疫情期间，比亚迪率先推出了“不起火的刀片电池”，并在行业里掀起了铁锂和三元到底谁更安全的大讨论。接着，宁德时代就宣布开发出了“永不起火的三元电池”。蜂巢能源也紧随其后，在电池日上发布了电池热失控系统解决方案“冷蜂”，欣旺达也公开了“不起火电池包”。 除了电池企业秀肌肉之外，一些车企也不甘示弱，广汽埃安的“弹匣电池”技术，岚图不冒烟、不起火、不爆炸的“三不”电池，包括最近长城科技日上发布的大禹电池。 虽然宣传各异，但所有的这些技术归结到一个共同目的，就是不起火。为了让电池不起火，这些企业到底做了哪些努力？这些系统性的热防护措施又给我们带来了哪些新的思考？ 从根源上做好热防护：电芯材料的选择和优化 电池起火的本质是热失控，一般过程是内部化学反应产热，高温逐步破坏SEI膜，使正负极材料和电解质进一步反应生成更多的热量和气体，隔膜破坏造成内短路后热量快速释放，最后正负极直接接触，引发热失控。在热失控的同时热量会向其他单体蔓延，引发一连串的电芯、模组、Pack乃至整车其他部位起火，同时会产生大量的高温气体，增加内部气压。 从热失控发生的整个过程，我们很明显可以看出， 材料的热稳定性和安全是预防热失控的第一步。 所以，针对电池本身的安全，整车厂或者电池厂主要方向是在原材料上做一些选择，或者根据材料本身的特性做一些改良。 比亚迪推出的无烟、无明火的刀片电池，选用的正极材料本身就是不易分解的磷酸铁锂材料；欣旺达“只冒烟、不起火”的动力电池选择采用单晶、高压镍5系三元材料，还有很多车企开始在部分车型上切换磷酸铁锂体系的电池，有很大一部分也是出于安全因素考虑。 关于材料的改良，广汽埃安推出的“弹匣电池”给出了一些解决思路，该电池针对正极材料进行特殊表面处理，掺杂一些安全材料进行包覆。此外，基于高安全性电解液的选择，还在其中加入添加剂，促进隔膜自修复、降低热失控反应产热的可能性，最后达到的成果是电芯耐热温度整体提升30%。 从电芯本征特性上保证热安全、预防热失控，更多的是依赖材料本身的特性以及电池厂的技术改良，所以相对来说，主机厂发挥的空间不是很大。 主机厂真正有发挥空间的，更多是在主动安全、被动安全的设计上。 热防护重要步骤：做好散热、热隔离和起火防护 整车厂或者电池厂可以通过一些冗余的设计来保证热失控之前整个电池包的安全，一方面是对电池进行散热，另一方面是防止电芯之间的热扩散。 目前主机厂采用的散热方案多以液冷为主，通过液冷板和冷却液来将电池的热量带走。 除了保证电池本身的散热，要防止电芯间发生热传导、热聚集，电芯之间必须进行热隔离。 岚图3月份推出的“三不”电池方案里面，有一个专门针对电芯隔热的设计，利用隔热阻燃材料对每一个电芯实现单独的全方位三维立体包裹，宣传称即便热失控也可以做到无热扩散现象发生。 还有广汽“弹匣电池”，其实也是用弹匣的方式给电池做了一个隔热舱，用网状纳米孔隔热材料将电芯单独分隔，避免电芯之间热蔓延。 综合来看，目前推出的不起火电池中，电芯间的热防护主要通过隔热阻燃材料来实现。 市面上的热防护材料主要是气凝胶、云母等，但是这些材料压缩回弹性较差、比较硬，不能较好地应对电芯之间的膨胀问题。 此外，电池在日常的充放电过程中，由于负极嵌入了锂离子，会产生膨胀，电芯内部材料受到挤压会导致电池寿命大幅衰减，这种膨胀的问题在软包电池间更加明显。 目前行业内大部分企业会选择泡绵来解决膨胀的问题，但是 动力电池包伴随新能源汽车要完成10年以上的运行，在整个生命周期过程中要经历高温、低温、电芯膨胀收缩、振动冲击等各种情况，在这种环境下泡绵会有厚度、回弹力的变化，一旦泡绵开始损失厚度，回弹力会受影响，进而影响整体应用状态。 所以在整个电池生命周期里， 一款拥有平缓的压缩回弹力、不容易损失厚度的泡绵非常重要。 材料企业圣戈班针对目前市场上的痛点，推出了 Norseal®PF 系列泡绵产品，除了在电池模组的BOL和EOL阶段都能好的吸收电芯膨胀厚度， 整个生命周期里都拥有平缓的压缩回弹力，泡绵经过老化之后厚度损失明显比其他竞品小，还提供定制化解决方案。 但在新国标实施后，泡绵产品本身隔热能力有限，可能无法很好的解决热蔓延的问题。泡绵+隔热材料同时应用虽然能解决这一问题，但模组变得更复杂，成本也会相应提升。 我们咨询下来，行业内材料企业圣戈班有针对该问题设计了 一款既能隔热又能解决膨胀问题的产品Norseal®TRP ，这种材料可以直接粘接在电芯上，在电芯之间、电芯侧面、电芯与端板之间自由组合，解决膨胀的同时，也可以防止热蔓延。 目前，这款泡绵产品 Norseal®TRP已经通过电池厂往德国大众MEB平台送样，进行下一步的验证。 除了电池本身的散热、热隔离问题，针对电池热失控可能带来的起火问题，目前行业主要是用云母板来进行防火阻燃绝缘，还有一些企业在上盖内侧进行喷涂耐火涂层，辅之隔热材料。 但云母材料本身也存在一些问题，因为云母本身重量较重，对于一些造型复杂的电池包，云母很难随型做复杂造型，加工时间很长。同时云母本身只能起到防火耐冲击的作用，如果电池包本身就存在气密性缺陷，有氧气进入情况下，还是无法防止起火现象。 所以现在行业内也在寻求一些替代云母的方案，我们了解到的蔚来EC6、ES6、ES8三款车都用了圣戈班的一款 Norseal®FS1000 填料泡绵产品，应用在模组和上盖之间，除了 自带缓冲功能，这种材料在高温下会膨胀，膨胀会阻断助燃气体进入，很好地解决了云母存在的问题。 除此之外，在PACK级别，为了防止热失控的发生，主机厂选择安装防爆阀、平衡阀和泄压阀，来平衡温度、海拔变化导致的电池包内外的压差，并且可以保证电池包内部的气体和压力定向排出。 一旦发生热失控，电池包内部的爆炸保险丝系统监测到碰撞和短路的情况可以快速反应，来保证极端情况下电池组的安全。 基于初始阶段电池材料的选择，以及针对电池运行过程中带来的散热、热隔离、防火问题的主、被动安全设计，主机厂的热失控防护基本上都是围绕这些思路来进行。 不过，虽然目前规定电池5分钟不起火，但如果政策慢慢开始收紧，倒逼主机厂和电池厂往不起火走，做好热失控前的预测和监控，才是从根源上去解决这个问题。 长期目标：预测热失控 现状：延长不起火时间 电芯及周围环境会向我们传递温度、电压、电流、气压、气体、湿度等信息，这些信息数据通过BMS可以被监测，根据这些数据建立相应的算法分析模型，以此来提前预测是否会有热失控的风险，进而给出相应解决方法，是我们提前预测电芯热失控的逻辑。 以岚图为例，通过T3出行众多车型收集到的数据，对电池进行诊断、运行寿命监测，实时监测电池的温度和各种指标，然后通过APP推送车辆的相关信息进行预警。此外，蜂巢能源推出的“蜂云”平台，还有华为推出的云BMS，都是类似的思路，即通过BMS的算法模型，提前预测风险。 基于数据对电池的热扩散、热失控的基础特性研究是防止热失控的重要路径，但是 这个方案也存在一定的挑战：一方面，电池企业或者车企关于电芯本身的大数据积累得还不够全面，而且整车和电池数据的获取都有一定的难度；另一方面，电芯外的环境监测部分可能需要增加额外的传感器，成本自然会增加。同样，对于数据的分析，算法模型的建立也不是小工程。 所以，要提前探测电芯的热失控，以此来解决起火的问题，目前来看并不容易。现阶段的重点，更多是在防火隔热解决方案来延长电池系统不起火时间。在此过程中，设计防护结构，开发防护材料，高温气体、火焰传播路径上的隔热防火，定向泄压、防短路等等都需要材料企业参与，所以当市场开始扩张时，材料企业应该也会迎来新的春天。【END】 |
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