擠壓、針刺、切割、低溫！四大場(chǎng)景極限測(cè)試 3種鋰電池誰(shuí)更扛打？

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大到儲(chǔ)能系統(tǒng)、小到智能手機(jī)，電池已經(jīng)應(yīng)用在我們工作、生活的方方面面。而這其中，少不了鋰電池的身影，鋰電池因能量密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，自1991年商業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)逐漸成為能源領(lǐng)域的核心代表。

不過(guò)，隨著新能源汽車的普及以及對(duì)高性能電池需求的不斷上升，也伴隨著頻繁的起火、爆炸等事故的發(fā)生，導(dǎo)致其安全性受到質(zhì)疑。

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測(cè)試

目前新能源領(lǐng)域，鋰離子電池主要包含有以下三種類型：三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及鈦酸鋰電池。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，其中三元鋰電池引起的事故較多，占據(jù)70%以上。這些事故往往由各方面因素引起，但是從原理出發(fā)，難道就沒有一款相對(duì)來(lái)說(shuō)，安全又穩(wěn)定的鋰電池嗎？

為了搞清楚這個(gè)問(wèn)題，接下來(lái)我們將對(duì)這三種鋰電池的單體電芯開展一系列的關(guān)于安全的測(cè)試。以上危險(xiǎn)行為大家千萬(wàn)別模仿，關(guān)于電池的這種暴力測(cè)試還需要由專業(yè)的人員和設(shè)備來(lái)進(jìn)行。我們這次也聯(lián)系了一家專門做新能源汽車動(dòng)力電池及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，他們有非常齊全的設(shè)備和防火防爆環(huán)境。

我們準(zhǔn)備了非常多的電池，接下來(lái)就正式開啟我們的鋰電池暴力測(cè)試。本次測(cè)試主要針對(duì)于這三款鋰電池，經(jīng)過(guò)擠壓、針刺、切割，還有超低溫充放電等等一系列上刀山下冰海的極端測(cè)試，看看它們都會(huì)有著怎樣的表現(xiàn)。接下來(lái)有請(qǐng)我們的大家伙，50噸擠壓力試驗(yàn)臺(tái)。

擠壓測(cè)試

在擠壓測(cè)試中，我們將三種容量相近形狀相同的鋰電池充滿電，固定在擠壓臺(tái)上，并連接好燈泡進(jìn)行通電，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓狀態(tài)，以及電池的表面溫度。

可以看到三元鋰電池在剛開始受到擠壓變形后，有電解液慢慢流出，之后被完全擠壓到50%后，就瞬間起火，過(guò)程中伴隨著爆炸濃煙，隨后燃燒更加劇烈，而且是以噴射形態(tài)向外噴出，火勢(shì)范圍也順勢(shì)擴(kuò)大，表面溫度在達(dá)到399℃后，測(cè)溫儀出現(xiàn)爆表，也就是說(shuō)當(dāng)下的溫度已經(jīng)超過(guò)了1000℃，可以說(shuō)是非常的危險(xiǎn)，我們也測(cè)試了第二塊三元鋰電池，效果也是非常的爆炸。

兩塊磷酸鐵鋰，都通過(guò)了擠壓測(cè)試，除了在擠壓過(guò)程中的電解液漏出之外，都沒有發(fā)生起火，而且溫度也幾乎沒有變化，看來(lái)磷酸鐵鋰在擠壓測(cè)試中還是相對(duì)穩(wěn)定的。

接下來(lái)是鈦酸鋰擠壓過(guò)程。同樣，鈦酸鋰也是非常的穩(wěn)定，在擠壓過(guò)程中也能看到電解液的漏出，而且溫度也幾乎沒有任何變化，同樣非常穩(wěn)定。

針刺測(cè)試

接下來(lái)就來(lái)到了我們的重頭戲，針刺測(cè)試。首先同樣將三種規(guī)格相近的電池充滿電，固定在穿刺臺(tái)上，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

在鋼針穿刺進(jìn)電池后，三元鋰電池瞬間開始鼓包，與此同時(shí)幾乎在一瞬間開始起火噴發(fā)，伴隨著大量的白煙，溫度也瞬間升到了七百多度，在噴射十秒后開始燃燒，穿刺的鋼針都被燒紅，燃燒足足持續(xù)了兩分鐘。第二塊電池也是同樣的劇烈反應(yīng)。

接下來(lái)是磷酸鐵鋰針刺過(guò)程。可以看到，磷酸鐵鋰相對(duì)穩(wěn)定，在鋼針穿刺后并沒有直接失控，而是經(jīng)過(guò)十秒鐘后，電池才開始鼓包，同時(shí)釋放大量的氣體濃煙，電壓變零，而且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中一直在釋放濃煙，好像一顆煙霧彈一樣。不過(guò)到最后都沒有產(chǎn)生明火，最高溫度達(dá)到了188.6℃，所以相對(duì)三元鋰來(lái)說(shuō)還算比較穩(wěn)定。第二塊電池也是同樣的反應(yīng)。

相比前兩個(gè)，鈦酸鋰電池的穿刺就平靜多了，穿刺后既沒有明火也沒有白煙，而且表面溫度也沒有任何變化，最神奇的是，燈泡的燈還一直亮著，電壓相比剛開始也沒有波動(dòng)，非常穩(wěn)定。我們也測(cè)試了第二塊，甚至破例測(cè)試了第三塊電池，也都是同樣的結(jié)果。

如果說(shuō)三元鋰電池是“火藥桶”，磷酸鐵鋰是“悶葫蘆”，那么鈦酸鋰電池就相當(dāng)于是“鋼鐵俠”，在這兩次測(cè)試中，鈦酸鋰電池安全性＞磷酸鐵鋰＞三元鋰。

切割測(cè)試

到這里的測(cè)試，你可能還沒看過(guò)癮，不過(guò)我們接下來(lái)的測(cè)試更加暴力，這次我們將同樣滿電的三種電池固定在鋸臺(tái)上，開始我們的切割測(cè)試。

為了能夠讓實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行下去，這次我們決定先切割更安全的鈦酸鋰電池。兩塊鈦酸鋰電池在高速旋轉(zhuǎn)的鋸片下，依然保持穩(wěn)定，沒有任何反應(yīng)出現(xiàn)，溫度、電壓同樣穩(wěn)定不變，燈泡也一直處于點(diǎn)亮狀態(tài)，可見鈦酸鋰的穩(wěn)定性真的很優(yōu)秀。

雖然切割磷酸鐵鋰電池的過(guò)程中，一直伴有白煙出現(xiàn)，但是在切割完成后，磷酸鐵鋰電池也是沒有很劇烈的反應(yīng)，電池溫度在達(dá)到一百多度后開始下降，看起來(lái)磷酸鐵鋰電池的安全性也是同樣非常優(yōu)秀。而就在我們切割第二塊電池的時(shí)候，意外出現(xiàn)了。

在第二塊電池即將切完的瞬間，磷酸鐵鋰電池突然開始起火，而且火勢(shì)非常兇猛，為了安全考慮，我們?cè)?strong>電池燃燒5分鐘后將明火熄滅，避免失控。

三元鋰電池也是不出意外的發(fā)生劇烈反應(yīng)，在鋸片切完后就瞬間起火，而且火勢(shì)異常猛烈，為了安全我們還是及時(shí)控制住了火勢(shì)。

看到這里測(cè)試結(jié)果已經(jīng)非常明確了，在外力的破壞下，鈦酸鋰電池最穩(wěn)定最安全，全程不起火不爆炸，電池產(chǎn)熱溫度也非常低，并且也能保持電壓的穩(wěn)定輸出。而磷酸鐵鋰雖然在擠壓、穿刺中沒有出現(xiàn)明火，但是在切割測(cè)試中，還是出現(xiàn)了失控的情況，同時(shí)磷酸鐵鋰在受到外力破損后，一般都會(huì)釋放大量有毒氣體而且溫度也較高，最后的三元鋰電池在外力破壞下是最危險(xiǎn)的，三種測(cè)試中都有明火甚至爆燃的情況出現(xiàn)。

低溫測(cè)試

接下來(lái)是低溫測(cè)試，我相信大部分人都有過(guò)這樣的經(jīng)歷，在大冬天里手機(jī)用著用著就自動(dòng)關(guān)機(jī)“沒電了”，這就是因?yàn)榇蟛糠?strong>鋰電池在低溫環(huán)境下，鋰離子的脫嵌速率、正負(fù)極材料間的電化學(xué)反應(yīng)速率都開始降低，從而導(dǎo)致電池在充放電時(shí)提供的電量變少，電池表現(xiàn)出虛電現(xiàn)象。

在測(cè)試前，我們把被測(cè)的三款容量接近的電池，采用相同的標(biāo)準(zhǔn)都放完電處理后，放進(jìn)低溫箱中，將測(cè)試溫度設(shè)置為-40℃，靜置12個(gè)小時(shí)后，將三種電池同樣以0.5C的充電倍率進(jìn)行充電測(cè)試，看看三種電池的充電效果。

而結(jié)果也是出乎意料，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池直接充不進(jìn)去電，儀器上電壓沒有任何變化，容量也沒有任何變化。

而鈦酸鋰電池依然能以0.5C的倍率進(jìn)行充電，經(jīng)過(guò)2小時(shí)后，這塊鈦酸鋰電池就已經(jīng)充滿電了。

經(jīng)過(guò)擠壓，針刺，切割，低溫這四種極限測(cè)試下來(lái)，相信結(jié)果已經(jīng)是非常明了。在安全方面，鈦酸鋰電池以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先，同樣在低溫充電方面，鈦酸鋰電池性能表現(xiàn)也是最佳。

技術(shù)解釋

為什么同樣都為鋰電池，鈦酸鋰的安全性能這么優(yōu)秀呢？這就得從它們的名字，從材料本質(zhì)的區(qū)別說(shuō)起了。

三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池均是以正極材料命名，它們的正極分別是三元鋰和磷酸鐵鋰材料，其負(fù)極都是石墨類碳材料。而鈦酸鋰電池則不同，其負(fù)極采用鈦酸鋰材料代替石墨材料，是一種以負(fù)極材料命名的鋰離子電池，正極一般就是三元鋰、錳酸鋰、磷酸錳鐵鋰等材料。

我們都知道，鋰離子電池內(nèi)部由正極材料、負(fù)極材料、隔膜及電解液構(gòu)成。以針刺測(cè)試為例，當(dāng)三元鋰電池經(jīng)過(guò)鋼針穿刺后，正負(fù)極短路瞬間引起的高溫，放熱反應(yīng)彼此疊加，并且伴隨隔膜熔化導(dǎo)致內(nèi)部短路加劇、負(fù)極與電解液反應(yīng)，如鋰金屬析出與電解液反應(yīng)等連鎖效應(yīng)，進(jìn)入不可控的“熱失控”階段。而鈦酸鋰電池的正極雖然也采用三元材料，但關(guān)鍵點(diǎn)就在于它的負(fù)極材料-鈦酸鋰。

從負(fù)極材料上看，石墨材料本身的熱穩(wěn)定性更差，更容易發(fā)生分解反應(yīng)，而且產(chǎn)熱量更高。而鈦酸鋰負(fù)極的熱穩(wěn)定性更好，沒有SEI膜的分解反應(yīng)，產(chǎn)熱量更低，而且隨著放電深度的加深，產(chǎn)熱過(guò)程會(huì)在不同溫度范圍內(nèi)分散產(chǎn)熱，減少了熱流量的聚集，從而提高了鈦酸鋰電池的熱安全性。

同樣在低溫充放電測(cè)試中，由于石墨負(fù)極形成的SEI膜阻抗增大和鋰離子擴(kuò)散速率下降，容易導(dǎo)致石墨負(fù)極儲(chǔ)鋰容量的快速衰減，從而導(dǎo)致不可逆鋰沉積引發(fā)安全問(wèn)題。而鈦酸鋰負(fù)極具有穩(wěn)定的尖晶石結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子快速嵌入脫出，并且在充放電過(guò)程中的體積變化幾乎可以忽略不計(jì)，具有“零應(yīng)變”特性，這些特性使得鈦酸鋰電池在低溫下也能保持非常好的充放電性能，同時(shí)保證了優(yōu)異的倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。

另外，鈦酸鋰材料的嵌鋰電位為1.55V，遠(yuǎn)高于石墨在0.1V的嵌鋰電位，高于石墨在0V附近易形成鋰枝晶的鋰沉積電位，因此，鈦酸鋰負(fù)極在低溫充電時(shí)不會(huì)像石墨負(fù)極容易析出鋰枝晶，避免了因鋰枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致的電池內(nèi)短路和負(fù)極劣化的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了鈦酸鋰電池在低溫下的安全性和電性能穩(wěn)定性。

總結(jié)

通過(guò)這次極限測(cè)試，我們看到了鈦酸鋰電池的實(shí)力，以“不起火、不爆炸”的硬核表現(xiàn)，重新定義了鋰電池的安全標(biāo)準(zhǔn)。盡管鈦酸鋰電池的能量密度和成本仍是挑戰(zhàn)，但其在特殊場(chǎng)景下，已經(jīng)顯露出不可替代的作用，比如在公共交通、軌道交通、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域正好需要高安全以及免維護(hù)的電池產(chǎn)品。

在鈦酸鋰電池領(lǐng)域，格力鈦作為龍頭企業(yè)就對(duì)鈦酸鋰核心材料有著非常深入的研究，格力鈦新能源的鈦酸鋰電池憑借高安全、超長(zhǎng)壽命、極端環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)保特性，不僅展現(xiàn)了技術(shù)實(shí)力，也為新能源產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展注入了新的動(dòng)力。

相信在未來(lái)，隨著技術(shù)發(fā)展進(jìn)步和成本的降低，格力鈦鈦酸鋰電池將會(huì)在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量向上發(fā)展。

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