动力电池安全设计的要点是什么？如何能够设计不起火的电池？
最近看到一个视频，蜂巢能源的龙鳞甲电池在单体热失控之后，整个电池包迅速排气泄压，最终安然无恙，避免了起火事故： 其实国标并没有要求永不起火。国标< GB 38031-2020电动汽车蓄电池安全要求>明确规定，单体电池发生热失控后， 5分钟内电池系统不起火、不爆炸。 虽然5分钟也够乘员逃生了，但这只是强制法规的「及格线」。作为消费者，我对5分钟不起火、不爆炸的安全表现也不满足，至少得留20分钟时间逃生吧？当然，这个时间越长越好，也希望企业能设计出永不起火的电池。 这两年，除上面提到的蜂巢能源龙鳞甲电池之外，不少车企纷纷推出了号称「永不起火」的电池。然而，锂电池的正负极之间蕴含着巨大的能量差，就像干柴与烈火一样，只要条件合适怎么可能不起火呢？ 一番研究之后，我发现电池安全技术有两个大趋势： 两个大趋势之下，相关电池安全技术层出不穷。如果只允许列出「永不起火」安全技术中最重要的一个，那我提名「电芯单体间热失控蔓延的抑制技术」。只要这项技术做好了，那么动力电池在电动汽车的常规事故中也可以做到「永不起火」。 为什么敢于这样说？各家企业在这项技术上做得如何？今天咱们就来深入分析这个问题。 不知道大家有没有琢磨过一个问题：电池热失控(Thermal Runaway)听起来文绉绉的，为什么不起一个直白的名字？比如，为什么不叫「烧起来」或「火扩散」呢？ 这是因为，电池起火事故虽然看起来都很惨烈，但那只是热失控末期的后果；其实整个过程较为缓慢，往往要潜伏几十分钟甚至数个小时，更像是「千里之堤，毁于蚁穴」。 具体来说，数百个电芯中的其中一个电芯温度偏高，本来不是什么大问题。但是呢，温度一高，电芯里会产生副反应；这些副反应大多是放热的，然后导致温度更高[1]。 「单体电芯的热失控」并不可怕，说到底它也就是几包烟大小的小物件嘛，能有多大能耐？但是呢，个别电芯的热失控放出大量热，把周围的电芯也加热到临界温度，也发生了热失控…… 当发生了「芯传芯」的热扩散现象时，事态就不那么好收拾了！ 这种热扩散方式引发的「芯传芯」还算温和，另一种方式则非常剧烈！单体电芯热失控后，内部会堆积大量混合气体，这些气体会通过预先设计的防爆阀喷发而出，以避免压力持续增大后造成爆裂性损害[2]。 喷发物可不好伺候，距离防爆阀2.5cm与8cm的温度最高可达280.9℃，压力也存在阶跃上升现象[2]。 喷发出的气－液－固混合体不仅释放热量引发进一步的「热扩散」，还可能引发电弧（击穿金属板、烧熔金属板等）、短路、绝缘失效等「电扩散」现象，很容易引发其它电芯的热失控，进而引发整个电池包起火现象。 由此看来，要想做到「永不起火」，光防热扩散可不行，还得妥善处理喷发物。 关键技术有两个：一是在电芯喷发之前扼制「热扩散」，二是在电芯喷发之后妥善处理喷发物。 扼制「热扩散」的思路很简单：电芯之间加强隔热，电芯本身加强散热！ 行业发展早期，各企业似乎拿到了通版方案，纷纷采用了「侧面隔热、底部单面散热」的方案。例如岚图琥珀电池的电芯之间填充了有机硅聚合物+低密度隔热材料+阻燃剂的复合材料。 俗话说「堵不如疏」，与其严防死守单个电芯热失控的热量传递，不如想办法赶紧把热量给散出去。弹匣电池在方形电池的较小侧面设计了导热结构，相当于一定程度上增加了底部水冷板的散热面积。至于较大的侧面，采用了网状纳米孔(nano-porous)隔热材料。 宁德时代的麒麟电池大胆地采用了侧面水冷散热&隔热+较小侧面隔热的方案。此方案的核心就是高集成度的三合一水冷板，既能隔热又能散热。 坦白讲，麒麟电池的技术方案思路还是比较先进的。那么技术创新之路就走到头了吗？蜂巢能源的龙鳞甲电池给出了自己的方案：高度集成双面水冷散热（4C快充版）。这种方案可以将换热能力提升70%，不仅可以有效地扼制热扩散，还支持2.2C-4C的快充能力。 说到双面水冷方案，很容易引发的一个质疑就是：双面水冷一时爽，但那电池包的体积与重量岂不是要失控？ 不能光考虑收益，还得考虑代价啊！ 龙鳞甲电池也考虑了这一方面，采用高度集成思路解决了这一问题： 光看技术方案，可能并不能让人信服。那咱们看看最终效果吧：体积利用率高达76%，甚至比麒麟电池的72%还要高！如此高的成组率，再配合叠片技术加持的短刀电池，最高可支持磷酸铁锂电芯实现800+公里续航、支持三元锂电池实现1000+公里续航。 传统设计中，电芯的电气连接与防爆阀分布在同一面，这样在单体电芯热失控加剧，进而喷发的气－液－固混合体可能引发电弧（击穿金属板、烧熔金属板等）、短路、绝缘失效等「电扩散」现象，很容易引发其它电芯的热失控。 当「电扩散」发生的时候，精心设计的「热扩散」防控措施将形成虚设。 行业先行者特斯拉，在公布Model Y车型的4680电芯CTC方案中可以看到：防爆阀布置在电芯底部，电气连接布置在顶部的正极商，如此就实现了Z向的「热电分离」[3]。宁德时代在一份2021年的专利中，也公布了底部与侧面防爆阀设计[3]。 蜂巢能源的龙鳞甲电池进行了从电芯到成组的系统设计，也实现了「热电分离」。第二代短刀电芯将防爆阀布置在底部，将电芯连接端布置在侧面，从而实现了Y向与Z向的「热电分离」。 电池包下箱体取消了纵向的中央排气通道，替代为多道横向排气通道。不仅排气效率更高，也与电气连接区域实现了彻底分离。如此一来，龙鳞甲电池通过从电芯到成组的系统设计，以一种优雅的方式实现了「热电分离」。 回顾蜂巢能源龙鳞甲电池，它在电芯与成组层面都具备鲜明的特点：： 蜂巢能源目前在动力电池行业中所占份额并不高，之所以能做出龙鳞甲电池这样的技术创新，与它的深度融合研发思路密不可分：不仅做电芯研发、成组研发，甚至还要做「飞叠」技术的装备研发。 在技术创新逐渐走入「深水区」之后，也许只有这样的深度融合研发模式，才可能将电池安全技术推进到「永不起火」的水平。