长刀不是最优解，短刀才是新一代？
锂电那些事今日头条2024年07月11日 星期四
比亚迪生产的刀片电池是一种磷酸铁锂电池的结构创新，电池设计成了长薄形似刀片的单体电池。其采用CTP无模组方案，由于电芯结构的变化，电池包的设计取消传统电池的壳体结构，由刀片电池来充当电池的梁，承担结构件功能。再采用蜂窝铝板的设计，上下两面粘贴两个高强度铝板，刀片电池排列其中。这样就跳过了传统的模组环节，提高了空间利用率，在同样空间中能够装下更多的电芯。
刀片电池其实本质还是一种方形硬壳电池，只是采用长薄型结构设计。常见的外形尺寸为960.0±10 mm × 90.0±1.0 mm × 13.5＋2.5/-1.5 mm。不同的型号尺寸略有不同，比如138Ah规格的刀片电池厚度约为12mm，而202Ah的刀片电池厚度约为13.5mm。
图1 比亚迪刀片电池
根据138Ah规格的刀片电池拆解信息，电池大概设计参数如下：
标称电压：3.2V
标称容量：138A
电芯尺寸：960*90*12.0 mm
正极极片尺寸：944*83 mm
负极极片尺寸：946*85 mm
正极片数：26片
负极片数：27片
正极面容量：3.39 mAh/cm2
这种长而薄的电芯设计与制造也具有一些难点：（1）长薄型电芯的尺寸精确度要求较高，因为任何微小的尺寸偏差都可能影响电池的安全性和电化学性能性能；（2）长薄型电芯通常采用叠片工艺，这种工艺对制造精度和质量控制提出了更高的要求。叠片过程中需要保证每一层隔膜和电极片的对齐，以及整体的平整度，这中较长的极片对生产设备和工艺控制都是挑战；（3）由于电芯的长薄形状，其机械强度和耐久性也是一个设计难点。
后来，沿用刀片电池的概念。刀片电池又区分为长刀片电池和短刀片电池。长度900mm以上的电池被称为长刀片电池，而长度400-600mm的称为短刀片电池。最近，2024年6月27日，吉利发布自研自产的最新一代“刀片式”磷酸铁锂电池——神盾短刀电池，具备192Wh/kg的能量密度，平均充电倍率达到2.45C，17分钟从10%充到80%，循环寿命超过3500次，并且能够通过八针针 刺。吉利神盾短刀电池的长度只有580mm，相比市场上960mm的长刀电池整整短了380mm。
2024年7月4日，蜂巢能源也发布了磷酸铁锂5C快充短刀电池，能量密度188Wh/kg, 峰值充电5C, 10-80%充电时间仅10min。
其实，电池在充放电过程中，电流沿电池长度方向的不均匀分布会导致锂离子浓度和电位的不均匀性。研究表明，在快速充电条件下，负极表面的充电状态（SOC）可能存在高达10%的差异。在高倍率放电的情况下，负极电位差可达到515 mV。此外，电池内部发热与外部散热的不匹配可能导致电池内部和环境温度场的不均匀性。对于如刀片电池等大尺寸的电池，由于其结构的特殊性，电流密度、SOC和温度的不均匀分布可能会进一步影响电池在充放电过程中的机械变形。这些不均匀性还可能导致电极表面内压力的不均衡。在充放电过程中，压力、电流密度、温度等物理场的不均匀分布会普遍存在。这些因素共同作用，导致固相和液相中锂离子的浓度和电势分布不均，进而影响电池的功率性能。随着电池尺寸的增加，这些物理场的不均匀分布对电池功率的影响将变得更加显著。
那么，长刀 VS 短刀，哪一个才更好呢？从技术参数角度来看，神盾短刀电池的性能优势非常明显。它的能量密度达到了192 Wh/kg，这比长刀电池的180 Wh/kg要高出一截；在10%到80%的充电区间，短刀电池的充电时间仅为17分钟，比长刀电池所需的26分钟快了近1.5倍；其平均充电倍率达到了2.45C，远远超过了长刀电池的1.61C。
图2 神盾短刀与长刀电池性能对比，图片来源：华车圈
公布的实验数据进一步显示，经过2500次充放电循环后，短刀电池的容量保持在87.73%，而长刀电池在1500次循环后，容量衰减到了87%。在极端的低温环境，即-30°C下，短刀电池的电量保持在90.54%，而长刀电池在相同条件下的电量保持率为78.96%。
为了更进一步了解长刀和短刀电池的性能差异，本人采用COMSOL软件模拟了铝箔+正极+隔膜+负极+铜箔单层电池基本单元性能，简单对比了一下这两种电池设计的差异。为了直观对比，设定长刀电极尺寸为900 mm × 80 mm，而短刀电极为 600 mm × 120 mm，两者电极面积相同，并且其他的电极材料体系、厚度、孔隙率等参数均相同。以1C倍率充电，模拟结果如下：
充电电压曲线对比如图3所示，图中红线是模拟过程中的短刀电池电压曲线，由于模拟结果输出时间间隔太大充电开始段丢失部分数据。但由现有数据可见，短刀电池的充电电压比长刀电池更低，即电池内阻低，极化更小。
图3 长刀和短刀电池充电电压演变过程
图4和图5分别是长刀和短刀电池在充电开始0s、平台阶段1764s以及充电结尾3528s时刻电解质锂离子电流密度的分布。对比两种电池在不同时刻的最大值和最小值差值可知，长刀电池的差值总是比短刀电池更大些，这说明电池内部各处的电流密度存在不均匀性，长刀电池的不均匀性比短刀电池更大。图6是两种电池隔膜的相对电流密度分布，长刀电池分布比短刀电池更加不均匀。
图4 长刀电池充电过程电解质锂离子电流密度分布
图5 短刀电池充电过程电解质锂离子电流密度分布
图6 长刀和短刀电池在电压平台阶段1764s隔膜的相对电流密度的分布
图7是两种电池在电压平台阶段1764s，电极电子电流密度的分布情况。由图也进一步说明，长刀电池各处的电流密度不均匀性比短刀电池更大。
图7 长刀和短刀电池在电压平台阶段1764s电极电子电流密度的分布
图8和图9分别是两种电池在电压平台阶段1764s时负极和正极集流体电势分布，长刀电池负极集流体电势最大值和最小值的差值为60mV,正极集流体电势最大值和最小值的差值为90mV；而短刀电池负极集流体电势最大值和最小值的差值为30mV,正极集流体电势最大值和最小值的差值为40mV.由于长刀电池集流体电子传输路径更长，导致电势存在更大的不均匀。
图8 长刀和短刀电池在电压平台阶段1764s时负极集流体电势分布
图9 长刀和短刀电池在电压平台阶段1764s时正极集流体电势分布
图10是长刀和短刀电池在充电结束时正极涂层SOC分布，充电结束正极活性颗粒脱离，锂浓度低，SOC接近0.由图可知，长刀电池SOC分布更加不均匀。
图10 长刀和短刀电池在充电结束时正极涂层SOC分布
综合以上分析，对比长刀和短刀电池，短刀电池在制造工艺和电池性能方面可能比长刀电池更优，一定程度上可以说短刀电池是最优解，电池的高宽比还有进一步优化空间。不过长刀电池在电池包成组方面可极限减少横梁等辅助结构件，提高成组体积利用率。
