转帖：浅谈车载动力电池安全:从宁德811到广汽弹匣电池   

作者： FHWYSH (FHWYSH) 

原文地址：https://www.newsmth.net/nForum/#!article/GreenAuto/684635

一、关于广汽弹匣电池及其它“不起火”电池

前几天，广汽发布了弹匣电池技术，并宣称这是在行业内首次实现了三元锂电池整包针刺不起火。（注：以下提到的缩略语含义：

LFP：磷酸铁锂；

NCM：镍钴锰 三元锂；）

1. 宁德时代在去年就已经两次声称通过了NCM电池包针刺试验，为什么广汽这次却说是在行业内首次实现？

Answer: （1）宁德时代的第一次针刺实验，结果是钢针断了。从实验规范的角度来说，做出这种结果的实验室是无法通过基本资质认证的，因为它连对标准条文的理解都无法做到。——在所有开展针刺实验的强检实验室中，进行整包电池针刺实验的第一步就是在电池包的外壳及防火罩上预先钻孔（孔径大于钢针直径3mm以上），以便钢针以恒定速度刺入电芯；这不但是基本的试验常识，而且是标准中的明文规定。宁德时代如果将这种磕断钢针的实验场景提交到EVS-GTR（电动汽车安全全球技术法规）会议上作为论据，其它的参会者不会对它有任何质疑，因为它们会直接将其认定为不合规实验室。

（2）宁德时代的第二次针刺实验，拿出的是2017年的TUV实验结论。TUV实验结论显示，它这次送检的实验样品是能量密度为54Wh/Kg的三元锂电芯——注意两点：①这是电芯，而非电池包；②这块NCM电芯的密度是54Wh/Kg，材料成分等同于244NCM，比LFP电芯的能量密度还低。

——也就是说，这块送检的样品不是搭载于乘用车上的商用电池，而只是一份没有量产价值的电芯样品。

2. 在2020年，刀片电池、宁德时代的“镍55”5系NCM电池、欣旺达的5系NCM电池、孚能的5系NCM电池都声称实现了电池包不起火，还有更早的AESC（日产leaf）电池也是整包不起火，广汽这个“第一”与它们的区别在哪里？

 Answer: （1）AESC（日产leaf）电池通过了针刺实验不起火，不过那是锰酸锂电池包；

（2）比亚迪的刀片电池通过了针刺实验不起火，不过那是LFP电池包；

（3）宁德时代的“镍55”5系NCM电池、欣旺达的5系NCM电池、孚能的5系NCM电池达到的水平是“通过加热方式触发的热扩散实验不起火”，而弹匣电池达到的水平是“通过针刺方式触发的热扩散实验不起火”，两种实验的难度不一样。

3. 广汽这次的角色是不是有点类似于小米，把供应商的技术揽到了主机厂身上？或者说，弹匣电池针刺不起火的技术是不是归属于供应商，而非归属于广汽？

Answer：（1）不是。（2）不是。

这与车载动力电池市场的角色分类有关。

在这个市场中，卖方提供电芯或者电池包，比如宁德时代、欣旺达、孚能、国轩、中航；

而买方则有三种类型：

第一种买方，是从卖方购买整个电池包，这种情况下，电池包的技术完全归属于供应商。（比如哪吒、五菱、理想、奇瑞、吉利等）

第二种买方，主机厂拥有自建的电池pack工厂，只从供应商处购买电芯然后自行组包，这种情况下，pack层级的技术是归属于车企，电芯层级的技术是归属于供应商。（比如上汽、广汽、蔚来、特斯拉等）

第三种车企，则同时兼具买方和卖方的角色，比如比亚迪-弗迪（电池外供给红旗、长安等）、长城-蜂巢（电池外供给PSA）、分拆之前的日产-AESC。

广汽这次的弹匣电池，同时包括电芯层面、pack层面的技术措施，所以其中有一部分技术是归属于广汽的。

4. 同为第二类买方车企，广汽弹匣电池的含金量与之前的蔚来、上汽的不起火电池有区别吗？

Answer:有区别。

目前第二类买方车企的搭载于量产车型的不起火电池包有：

上汽的镍55电池包（搭载于R汽车，购买宁德的5系NCM电芯）；

蔚来的镍55电池包（搭载于BAAS车型100度电池，购买宁德的5系NCM电芯）；

广汽的5系NCM电池包（搭载于AION V车型，购买孚能的5系NCM电芯）；

广汽的弹匣电池（搭载于AION Y车型，购买中航的5系NCM电芯）。

前三种电池包达到的安全水平是“通过加热方式触发的热扩散实验不起火”，而弹匣电池包达到的安全水平是“通过针刺方式触发的热扩散实验不起火”，从电化学原理来说，后者的难度更高，所以弹匣电池的技术水平高于其它三种“不起火NCM电池”。

在GB38031-2020实施后，各家车企接受热扩散实验强检的车型中，NCM车型选择的热扩散触发方式基本都是加热，选择针刺触发方式的基本都是LFP车型；这也是广汽高调宣传它的NCM弹匣电池在行业内第一个通过针刺热扩散实验不起火的原因。

5. 弹匣电池与刀片电池都不起火，那它们的安全性有区别吗？

 Answer: 有区别。

 弹匣电池达到的安全水平是“通过针刺方式触发的热扩散实验中，电芯发生热失控，但电池包不起火”，

刀片电池达到的安全水平是“通过针刺方式触发的热扩散实验中，电芯不发生热失控”，

后者的安全水平比前者高一个数量级。

 6. 为什么“针刺方式触发的热扩散实验”比“加热方式触发的热扩散实验”的难度更高？

为什么“针刺后电芯不发生热失控”比“针刺方式触发的热扩散实验不起火”的难度高一个数量级？

针刺实验、热扩散实验、针刺、加热、热失控、热扩散有什么区别？

Answer： 针刺实验≠热扩散实验。

热失控≠热扩散。

简单地说，

热失控是电芯层面的概念：电芯内部由于某些原因发生自产热的化学副反应，温度急剧升高，最后电芯发生燃烧或者爆炸；

热扩散是电池包层面的概念：单个电芯发生热失控后，由于高温或火焰，引发电池包内其它电芯相继发生热失控，最后整包电池发生燃烧或爆炸。

热扩散实验：人工引发电池包中的电芯发生热失控后，观察电池包中的其它电芯是否发生热扩散，是否引发电池包起火或爆炸。

热扩散实验的引发方式有两种：加热电芯，针刺电芯。

针刺实验（狭义）：实验对象为单个电芯，采用针刺方式触发电芯，观察电芯是否发生热失控。

针刺实验（广义）：实验对象为整个电池包，指的是采用针刺方式触发的热扩散实验。

针刺实验（狭义）象征的是电芯层面的本征安全性，

针刺实验（广义）象征的是pack层面的被动安全性。

刀片电池通过的是针刺实验（狭义），弹匣电池通过的是针刺实验（广义）。

能通过针刺实验（狭义）的动力电池，在GB38031的热扩散实验中就相当于保送生，得分直接超过了卷面满分。

在热扩散实验中，针刺触发方式比加热触发方式的通过难度更高的原因，见第二节中电化学原理分析。

7. 既然在电池pack层面都是不起火，那对于最终用户而言，国标的5分钟不起火、广汽/蔚来/上汽的不起火、刀片电池的不起火，有什么区别吗？

Answer： 有区别。

区别在于两个方面：

（1）不起火保障的持续性：不起火的维持时间越长，乘员的逃生时间就越长。对于发生交通事故碰撞被困的人员来说，这一点尤为重要。国标规定的5分钟时间，不足以将车内被困人员救援逃离。

（2）不起火保障的有效性：电芯层面、pack层面的安全措施发生失效的可能性不同。在发生交通事故碰撞后，由于整车失电、结构件变形等情况，pack层面的一些安全防护措施有可能会发生失效；这个时候，电芯层面的本征安全性就是确保不起火的最后一道保障。

8. 电芯层面、pack层面的不起火保障都是如何做到的？

Answer：这要从热失控→热扩散过程的电化学原理说起，见第二节。

二、关于电池不起火的技术保障措施

1. 车载动力电池起火（热失控→热扩散）的过程

A. 两方面触发原因：

A1-电芯内部的微短路（锂枝晶、金属杂质、高温/低温循环等）

A2-外部撞击造成的电芯挤压或穿刺

B. 电芯热失控：

B1-自产热副反应

（SEI膜分解反应，负极与电解液反应，隔膜基质熔化反应，隔膜陶瓷涂层崩溃反应）

B2-正极分解反应（产热、析气）

B3-电解质分解反应（产热）

B4-负极与粘结剂反应（产热）

B5-大规模内短路

B6-安全阀破裂冒烟

B7-电解液燃烧

B8-电芯爆炸，内容物喷出

B1～B4总称为链式反应；

电芯原材料的化学活性越高，电芯的能量密度越高，发生链式反应的速度就越快，产热、析气的速度也越快，链式反应的最终温度就越高（811NCM最终温度＞1200℃）。

C.电池包热扩散：

C1-相邻电芯被加热

C2-相邻电芯发生热失控

C3-相邻电芯冒烟燃烧

C5-电池包壳体燃烧或爆炸

2. 电芯层面的安全措施

（1）材料方面：

①分子结构稳定性：LFP＞5系NCM>6系NCM＞8系NCM;

②晶体改性工艺：单晶体工艺、包覆工艺、掺杂工艺；（提高晶格能，增强稳定性）

③电解液、隔膜添加工艺。

（2）电芯加工工艺方面：

热稳定性优劣：叠片工艺＞卷绕工艺；

长极片工艺＞短极片工艺。

电芯层面的安全措施，其目的是提高对链式反应的阻断能力，延缓链式反应的速度（或者彻底阻断链式反应），从而实现电芯的本征安全性。

举例：日产leaf的AESC电池、比亚迪的刀片电池，其中的电芯可以将链式反应阻断在B2步骤之前；在针刺实验（狭义）过程中，电芯不会发生热失控，既不会冒烟也不会起火，电芯温度＜60℃。

没有采取安全技术措施的LFP电芯，可以将B过程阻断在B6步骤；在针刺实验（狭义）过程中，电芯会发生热失控，会冒烟，不会起火，电芯温度＜300℃。

在GB38031实施之前的宁德811电池，其中的电芯没有对链式反应的阻断能力；在针刺实验（狭义）过程中，电芯在5s之内就会发生热失控并进展至B8步骤，迅速冒烟、起火、喷出内容物，电芯温度可以达到1200℃左右。

现代汽车、通用汽车正在召回的LG电池，采用的是6系NCM电芯。

3. pack层面的安全措施

（1）防火材料隔离：

几款“不起火”的NCM电池包都采用了耐高温1400℃的顶盖（这是考虑到NCM电芯热失控时会达到1200℃的高温）；同时在电芯/模组之间使用防火隔离材料（纳米板/耐高温粘结剂）

（2）泄压/排气通道、泄压阀；

（3）冷却/降温/散热/灭火措施：

按照冷却效果的优劣，相变材料冷却（宝马、比亚迪）＞液体冷却（蔚来、上汽、广汽）＞风冷（丰田、本田）＞自然冷却（日产leaf）。

（4）传感器监控、BMS软件预警：

在电芯/模组/排气通道各个位置设置压力、温度、气体、电压等传感器，BMS通过传感器监测到电芯中发生B1过程时，发出信号预警/脱开电芯电连接/启动冷却措施。

 pack层面的安全措施，是为了将电池包热扩散过程阻断在C2之前，将热失控后（起火）的电芯扑灭在硬隔离的防火墙之中。

 举例：广汽的弹匣电池，其中的5系NCM电芯在针刺后发生热失控，温度达到700℃左右（虽然电芯被封在模组里面无法观察，但是穿刺后的NCM电芯很可能已经起火），最后电池包只冒烟，整体不会起火，发生热失控的电芯被扑灭在防火墙中。

 附：为什么“针刺方式触发的热扩散实验”比“加热方式触发的热扩散实验”的难度更高？（第一节第6个问题）

因为加热方式触发，是从B1步骤“电芯微短路”开始引发热失控的过程；而针刺方式触发，则是从B5步骤“电芯大规模内短路”开始引发热失控的过程，在极短时间内让电芯集聚更高的热量，从而使热扩散更难被扑灭，对pack层面的安全技术措施要求更高。

4. 两个层面安全措施的共同点与区别

（1）共同点：

这两个层面的各种技术措施，都不是在GB38031-2020发布后才突然出现的，而是早在SAEJ2464-2009发布后就已经被业界研发出来可以应用的技术。  

（2）本质区别：

在A1、A2这两种情况下，电芯层面的安全措施都保持有效状态；

pack层面的安全措施，则只在A1情况下完全保持有效状态；在A2情况下，pack层面的某些安全措施会失效。

 三、从宁德811到广汽弹匣电池：电池安全的归位

1. 在2020年下半年GB38031的5分钟逃生时间强制规定出台之前，国内车载电池包是否具备电芯层面、pack层面的防起火安全保障能力？

除了极少数电池包，其它都不具备。

这极少数电池包，包括两部分：

 一类是坚持认为国标是最低标准，而参照SAEJ2464、UL2580、USABC、FreedomCAR自行建立更高要求的产品标准的卖方企业，这类企业在产品开发过程中使用针刺电池热扩散实验作为验证标准，如AESC、比亚迪；

另一类是坚持认为国标是最低标准，而全程使用UL2580认证标准的买方企业，这类企业在产品开发过程中使用针刺电池热扩散实验作为验收标准，如上汽全系、长安的CS75 PHEV、哪吒U、早期的比亚迪；为什么长安和哪吒只有一款车型使用UL2580认证？原因很简单，贵。

2. 那其它绝大部分车型的电池呢？

答案只有一个：它们缺乏有效的阻断措施，而是靠电芯的内禀属性硬抗。

因为电芯层面的每一种安全措施，都意味着电芯成本的增加和能量密度的降低；

因为pack层面的每一种安全措施，都意味着pack成本的大幅增加。

所以在没有国标强制规定的时候，绝大部分企业都不会选择采用这些安全措施。

 ——也就是说，2020年下半年之前装车的电池，

大部分LFP电池，都依靠它们最底层的材料稳定性来维系着电芯不起火；

5系以上的NCM电池，在电芯层面都没有阻断热失控的能力，在pack层面防止热扩散的能力很微弱；一旦由于A1或者A2原因，触发某节电芯热失控后，电池包必然会起火燃烧，且逃生时间很短。

3. 对于这些毫无防护能力的电池，车企有什么补救措施吗？

（1）国标就是最低标准，对于那些一直坚持以国标作为企业标准的车企，只要国标没有强制要求采取补救措施，那么在没有批量发生电池热失控事故时，它们的做法很简单：不会作为。

（2）当多次发生电池热失控事故后，它们可能会采取以下做法：

①通过物理或软件方法降低可用电量；

②通过软件方法降低可用功率；

③通过软件方法降低充电倍率；

④召回更换（可能是非公开状态，如广汽）。

用LG的6系NCM电池包召回事件来对比一下，现代、通用的15万辆车中使用了LG的这套6系NCM电池包，共计发生19起自燃事件，这个概率比起宁德811电池的自燃概率，可能还要更低。

4. 关于车载动力电池安全，国标以后会往更好的方向发展吗？

只要不以能量密度作为唯一政策目标，那么电池安全就是可以持续改善的。

回顾一下国内车企在电池安全方面的发展历史：

 ①USABC-1999发布实施，其中有关于电芯针刺实验的要求；

②FreedomCAR-2005发布实施，其中有关于电芯针刺实验的要求；

③QC/T743-2006发布实施，其中有关于电芯针刺实验的要求，没有关于热扩散实验的要求；

④SAEJ2464-2009发布实施，其中有关于电芯针刺实验及热扩散实验的要求；

⑤UL2580-2013发布实施，其中有关于电芯针刺实验及热扩散实验的要求；

⑥GB/T 31485-2015发布实施，其中将电芯针刺实验列为“暂不实施”项目，没有热扩散实验的要求；

一部分企业按照GB/T 31485-2015制定企业产品标准；

另一部分企业参照SAEJ2464、UL2580、USABC、FreedomCAR自行建立了比GB/T 31485-2015要求更高的企业产品标准；

⑦2019年，宁德811电池开始量产装车，整包能量密度从140Wh/Kg～160Wh/Kg；

⑧2020年，广汽搭载8系NCM电池的车型多次发生自燃，随后进行了非公开召回，将8系NCM电池更换为5系NCM电池；

⑨2020年，比亚迪刀片电池量产装车，整包能量密度140Wh/Kg，体积密度320Wh/L；（针刺方式触发不发生热失控）

(10)GB 38031-2020发布实施，其中将电芯针刺实验（狭义）删除；增加了热扩散实验，将加热和针刺（广义）列为热扩散实验的两种触发方式；规定电池起火之前的逃生时间要大于5分钟；

(11)2020年底，蔚来、上汽、广汽的5系NCM“不起火”电池装车，整包能量密度170Wh/Kg～180Wh/Kg，体积密度300Wh/L；（加热方式触发热扩散实验不起火）

(12)2021年，广汽的5系NCM弹匣电池装车，整包能量密度184Wh/Kg，体积密度302Wh/L；（针刺方式触发热扩散实验不起火）

(13)2021年，按照GB 38031-2020接受热扩散实验强检的车型电池包，已经有10款以上实现了“不起火”（逃生时间＞48小时）；

(14)2021年，GB政策倾向于将电池包热扩散实验规定的逃生时间提高到30分钟；

(15)2021年，国家“新能源汽车”重点研发专项中将电池包热扩散实验的逃生时间设定为90分钟。

 综上，国标就是最低标准，当国标对于电池安全方面的要求极度弱化时，则绝大部分企业都不会采用能够避免电池起火隐患的技术措施；只有当国标开始强化对于电池安全的要求时，电池的能量密度与安全保障才能同步发展。

只有更多的车型电池达到“不起火”（逃生时间＞48小时）标准时，这样的电动车才体现了对生命安全的最大尊重。