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蔡司测量:对撞测试引发的新能源汽车安全思考

国际金属加工网 2021年07月30日

7月25日,比亚迪官方在社交媒体上发布的一篇题为《关于某媒体发布汉EV整车碰撞试验视频的情况说明》,瞬间引爆了车友群。

事件起因是源于懂车帝APP在《懂车试验场》节目中发布的一则视频,选取2020款比亚迪汉EV与2021款ARCFOX极狐阿尔法S 252S两款汽车,进行64公里/小时高速50%偏置对撞测试。结果发现,两辆车在高速对撞后,电池完全断电,并没有出现冒烟起火状况。但在碰撞测试48小时后,比亚迪汉EV在全车断电,弱电都已经下电的情况下,居然起火燃烧。懂车帝方面表示,经消防认定为电瓶电气线路故障导致。

比亚迪回应称,碰撞车辆被更换了导电冷却液,在碰撞后冷却液渗漏,造成线路短路,并引起燃烧。比亚迪对懂车帝采用的测试标准和方法也提出质疑,称其非主流、非权威,也不是国家及行业标准,内容也存在诸多疑点。

该事件的热议也再一次让大家把视线聚焦到新能源汽车的安全性。在新能源汽车国家监管平台2019年5月到7月的一项数据统计,发现79起新能源车安全事故,58%的车辆起火源于电池。所以,确保新能源汽车电池安全性尤为重要。

>>法律政策

2020 年5 月12 日,《电动汽车安全要求》《电动客车安全要求》《电动汽车用动力蓄电池安全要求》等三项强制性国家标准发布,并于2021年1月1日起实施。这是我国电动汽车领域的首批强制性标准。其中《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中针对电池单体/电池包及系统的安全都做出了严苛的要求,同时也给出了试验对应的参考标准。

>>如何从底层设计更加安全的电池

新能源汽车系统安全从最底层的电池材料开始,到电池模组、电池包、动力总成等等系统级别的设计,每一个环节都包含了大量的技术难题等待工程师去攻克。

我们今天就从电池材料到电池单体做些简单的介绍,带领大家去一窥电池企业如何通过技术手段来保证电池的安全性。

目前新能源汽车上主要采用的锂电池从阴极材料的区别上主要分为磷酸铁锂电池和三元(镍钴锰)电池,从外形结构上分为圆柱、方壳、软包,电池企业选择不同的设计和材料终极目标都是去平衡电池的能量密度和安全性,从最早的特斯拉磷酸铁锂圆柱电池,到比亚迪的刀片磷酸铁锂电池,到宁德时代的方壳三元电池,大家对于各自的技术都很自信,以此来维护自身企业的稳固发展,在此不对某一个技术方向有所倾向,只是去阐述在当前电池在材料研究和生产中会用到的一些手段,来保证他们的安全。

材料研究

前面我们提到目前有很多电池企业选择三元材料作为主要研究和产品生产方向,三元正极材料的一般分子式为Li(NiaCobXc)O2,其中a+b+c=1,具体材料的命名通常根据三种元素的相对含量而定。其中,当X为Mn时,指的是镍钴锰(NCM)三元材料;当X为Al时,指的是镍钴铝(NCA)三元材料。三种元素的不同配比使得三元正极材料产生不同的性能,满足多样化的应用需求。

三元材料整体电化学性能稳定,能量密度高,循环寿命高,随着镍的比例提升,热稳定性降低,但是相应的能量密度也提升很多。

我们可以看下在电子显微镜下不同三元材料的形貌是怎样的:

如此微观的区别对于材料研发工程师以及质量分析工程师都有很大的帮助,他们可以通过不同的形貌区别去区别三元的配比是否符合实验设定要求,供应商的来料的一致性是否达标,在电子显微镜下都可以满足这些要求。

除了阴极材料的不断探索以外,阳极材料也没闲着,研发人员目前在尝试往石墨里添加硅材料,因为硅的容量是石墨的十倍,而现在锂离子电池的正极材料是石墨。尽管在阳极上使用硅可以使整个电池的容量翻倍,但是硅材料的不稳定性也给电池技术带来了严峻的挑战。

在电子显微镜下我们可以观察到添加进去的硅材料的形貌,随着反复多次充放电,硅颗粒破碎,同时其周围的石墨材料也消失,产生了空洞,在电阻测试下,这些现象都将带来电阻的增加。

电镜下新鲜的硅颗粒

多次循环后硅形貌变化以及电阻测试

如果希望在监控整个三维形貌,同时也不破坏样品的话,也可以使用X射线显微镜来实现,这样样品就不会因为制样而破坏原始的状态。

生产阶段


接下来只分析一个环节,当电池正负极放入电池壳体内后,如何找到内部的质量问题?我们知道任何封闭的物体如果希望看到其内部只有采用破坏的方式,传统的电池内部缺陷检测手段是把电池壳拆开,然后去逐项检测每一个内部细节,然后在拆除电池壳的过程中,不可避免的对于电池本身带来了一些干扰,可能带来二次破坏,现在主流的电池厂商都在寻求新的解决手段:工业CT检测设备,如下面图片显示,这是一个卷绕电芯极片受到了破损,这个破损的极片在电池容量会产生损耗,同时也会带来安全隐患,导致电池局部电阻增大,存在发热、起火的隐患。

多个电芯装在一起,组成电池模组,电池模组在生产的时候也会因为生产管控的问题,引入金属异物,这些金属异物会刺破电芯薄膜、极片、导致短路、进而引起电池起火。

>>写在最后

任何新鲜事物在被人们接受之前都需要经历很多挑战,而这些挑战也是不断促进发展的动力,一辆在大街上搭载蒸汽机的怪异“马车”在100年前的马路上穿梭,从路人惊恐的表情中,它在不断奔驰,100年后的今天电动汽车成为各个国家的汽车工业重要战略,不同的声音不断的挑战,而历史的车轮已经装上了电池无法停歇,飞奔向前。

(文中部分图片来源于网络)


(蔡司工业质量 )

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