前瞻新技术之二：动力电池无热蔓延技术

新能源车的召回事件频发，安全问题成为达摩克里斯之剑。2022年7月比亚迪因电池安全问题召回52928辆唐DM车型；根据国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心公布的数据梳理发现，22H1我国共发布相关汽车召回公告61个，涉及缺陷车辆约254.7万辆，其中在新能源汽车方面，共有11个品牌发布召回公告16个，涉及缺陷车辆超32.49万辆。安全问题迫使各行业加速推出“无热蔓延”的电池技术方案。 各企业的无热蔓延技术方案差异性较大，材料热稳定性是根本，系统防护是设计重点。刀片电池的实验视频使得针刺成为评定电池安全的重要依据，针刺实验模拟的是电芯内部短路造成热量瞬间释放的过程。比亚迪选择全面切换至稳定性更佳的磷酸铁锂材料，其他选择三元材料的企业则希望通过加强电池系统防护设计，实现整包通过针刺实验。 三元材料的热防护解决方案可划分为三类： 1.第一类方案：被动式防护，麒麟电池是典型。以疏堵结合（散热+隔热）为设计中心，通过控制加强散热、隔热能力为主要技术手段，实现电池包内仅少量电芯热失控，整包外无明火。 2.第二类方案：主动式防护，喷淋系统与大数据监控。巧妙的电池系统冷却液管路设计，热失控时刻可精准灌注大量冷却液，实现主动定向灭火。后台大数据挖掘，充分利用电池系统智能管理与充电系统，主动发现、主动防护、尽早发现存在安全风险的电池。 3.第三类方案：提高材料级热稳定性，实现本征安全。提高正负极、隔膜、电解液、集流体等材料的热稳定性，目前已知可行的技术路线包括：磷酸锰铁锂与三元混用、复合集流体等。 无热蔓延技术将逐步普及，动力电池及新能源车的安全性能都将大幅提升。 有助于打消消费者对新能源车安全问题的顾虑，解决新能源车的安全短板，促进新能源车的销量。 投资建议：安全问题改善有助于消除购买者的疑虑，促进新能源车销量，利好上下游产业链。建议关注：1）动力电池：宁德时代；2）磷酸锰铁锂正极：德方纳米；3）三元正极：容百科技、厦钨新能、长远锂科、当升科技、振华科技；4）隔膜：星源材质；5）复合集流体：东威科技、万顺新材、鼎胜新材；6）热管理：高澜股份、银邦股份、科创新源；7）电解液：新宙邦。 风险提示：新能源车销量不及预期、新车上市进程不及预期，原材料上涨过快削弱企业盈利、行业扩产过快加剧行业竞争、地缘政治、贸易摩擦阻碍海外供应链、安全事故影响企业产销。 重点公司盈利预测、估值及投资评级 投资主题 报告亮点 探究动力电池安全问题的解决方案，消除公众的担忧。新能源车的渗透率持续攀升，同时伴随着时有发生的着火及召回事件刺激着公众神经，市场上关于专门针对动力电池无热蔓延技术的研究报告较少。 本篇报告是专门针对动力电池无热蔓延技术的研究报告，剖析动力电池无热蔓延技术的设计方案及各零部件的作用，指明未来的发展方向，有助于打消消费者对电动车安全问题的担忧。 投资逻辑 无热蔓延技术新增的零件主要为热管理及新技术等。安全问题改善后利好整个新能源车产业链，尤其是高镍正极材料。 热管理包括抗冲击材料：云母板、硅胶垫等；隔热材料：云母板、气凝胶； 导热材料：液冷板；以及泄压阀等。 新技术包括：磷酸铁锰锂、复合集流体等，都处于量产前夕，市场前进广阔。 一、电动车起火事件频发影响行业健康发展 （一）新能源车安全问题频上头条，引发公众关注 公众人物车祸事件引发消费者对新能源车安全问题的关注。7月22日中国台湾省桃园市著名歌手林志颖驾驶特斯拉发生自撞意外，所幸附近几名工人合力将驾驶员救出，救出5秒后，车辆开始发生大火燃烧。 图表1林志颖车祸事件 起火事故频发，自媒体锂猫实验室做了一组有关今年以来的新能源车起火的统计数据，2022年1月10日-7月22日，共发生了47起经媒体报道过的新能源车自燃事件。众多知名车企榜上有名。 （二）新国标增加逃生时间要求，无热蔓延成为行业共识 新国标增加逃生5分钟要求，保障司乘安全。新国标GB 18384-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》已于2021年1月1日起开始实施，新国标中增加了电池系统热扩散试验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。 逃生5分钟是底线，针刺实验成为普遍评估标准。热失控的定义是电池发生不可控的剧烈放热反应，由热失控发其他电池热失控称之为热扩散或者热蔓延。刀片电池发布会上的针刺实验视频深深刺激了公众神经，众多车企开始密集发布无热蔓延电池技术方案， 图表2各企业的无热蔓延技术 二、无热蔓延技术思路解析 （一）电池热失控的诱因及机理分析：热力电滥用导致产热显著大于散热，持续升温最终引发热失控 锂离子电池的滥用可分为三类：机械滥用（包括挤压、针刺和碰撞等）、电滥用（内部短路、过放电和过充等）和热滥用（过热等）；三种滥用形式可能导致热失控的共同环节：内部短路，最终由于电极活性物质之间的相互作用而导致热失控。当电池失控时，其他可燃气体产品和电解液蒸汽和阳极产生的氧气在高温下与空气混合，当电池失控形成火灾三角形，即燃烧或爆炸。 电池升温过程中材料逐步发生反应进一步推高电池温度。从微观角度分析 LiCoO2 /石墨电池的热失控过程. 1)69℃：负极表面的SEI膜开始分解，负极材料与电解液之间的副反应加剧。 2)100℃：负极材料与有机溶剂之间的副反应加剧。 3)130℃：隔膜逐步熔化导致电池短路。 4)200℃：正负极开始发生剧烈分解反应，电解液发生剧烈的氧化反应，释放出大量的热，出现高温和大量气体，电池发生燃烧爆炸。 图表3锂离子电池火灾诱因图解 图表4 LiCoO2/石墨电池热失控过程总览图 从电芯外部分析，锂离子电池热失控产物喷射是一种复杂的多相的瞬态射流。欧阳明高院士通过高速摄像机对电芯热失控过程进行实物拍摄，电芯在经历长达50min的加热后，内部压力逐渐聚集，达到泄压阀开启压力（0.5Mpa），泄压阀被瞬间（0.4ms）冲破，高速气流产生的剪切力携带液态电解液喷射而出并雾化，在安全释放阀开启后，电池由闭口系统转变为开口系统，此时电池温度远高于电解液沸点，因此在电解液喷射的过程中内部电解液迅速蒸发，形成新一轮的喷射，此时为雾状喷射产物的喷出，当电解液消耗殆尽时，第1次喷发过程衰减，随着电池内部产气反应维持射流状态，此时可以观察到气体、液体混合喷射的特征。 图表5电芯热失控过程图 （二）电池系统热失控安全等级分级，铁锂接近本征安全 欧阳明高院士将动力电池系统热失控安全分为三类：本征安全、主动安全、被动安全。 1)本征安全：从单体电池的热失控机理着手，从材料层设计和制造的角度加以解决。 2)主动安全：充分利用电池系统智能管理与充电系统，主动发现、主动防护 3)被动安全：单体电池热失控之后，用系统热管理的办法，也就是隔热和散热的办法，让电池包不燃烧。 图表6清华大学定义的电池系统热失控安全 电池安全可分为多个层级：材料、电芯、模组、电池系统、整车系统。在任何一个层级阻隔热失控，即可以实现“无热蔓延”。不同企业选择的路径有所差异，但殊途同归，比亚迪选择的是使用高热稳定性的材料，即三元材料切换为铁锂材料；上汽、宁德时代等选择的是电池包过针刺试验。材料级的安全是本征安全，系统级防护是材料安全性能不足的条件下的被迫选择。 图表7热失控防护设计 铁锂材料的安全性能优异。根据不同锂电材料高温状态产热量对比曲线分析，磷酸铁锂高温产热峰不明显，峰值产热功率仅1W左右，高温或高压下，三元易析氧加剧燃烧，峰值产热功速率约80W/min，容易触发爆炸式燃烧(秒级)，系统难以反应控制，总产热量方面，磷酸铁锂显著低于三元、锰酸锂等材料（产热功率曲线与横轴的面积代表总产热量）。 铁锂电芯接近实现本征安全。铁锂电芯虽然可以通过针刺实验，但也仅能代表电池自燃的概率低、起火逃生窗口时间长。铁锂材料的安全性能优异，但是在电池成组后存在高压击穿、电解液可燃等风险。比亚迪刀片电池发布会使得针刺成为“网红实验”，刀片电池可通过针刺实验，但依然发生了着火事件，也侧面证实了铁锂电芯并非完全实现了本征安全。 图表8不同锂电高温状态下产热量对比曲线 图表9针刺实验对比 三、三类无热蔓延技术方案：新能源车安全问题有望大幅改善 （一）无热蔓延设计要点 热失控防护的主要设计包括：热、冲击、气体、电压、液体和固体等。无热蔓延设计对材料、结构、零部件等都会提出更高的要求。 热：主要是电芯间的热量阻隔及电芯开阀后对其他零部件（主要是电池包上盖）的高温炙烤，对应解决方案是电芯间热管理材料，电池包上盖换成抗高温的材料或者新增隔热材料； 冲击：电芯开阀后气、液、固混合物高温高速冲击，主要是电池包上盖的结构强度设计能够承受电芯开阀时刻的冲击力。 气体：电池包内部形成高压，设计应该考虑良好的烟道、泄压阀，否则内部压力过大会造成结构件撕裂。 电压：电池包内部所有高压零件应考虑是否会被高温高压的气体等腐蚀或造成短路。 液体和固体：主要是避免短路风险以及堵塞泄压阀的风险。 图表10热失控防护要素 （二）第一类：被动防护，疏堵结合，麒麟电池为典型设计 第一代热失控防护还是以被动防护为主，典型代表为麒麟电池。通过疏堵结合（加强散热、隔热能力）为主要技术手段，实现电池包内仅少量电芯热失控，整包外无明火。 1、冲击及气体：倒置电芯避免高温气体侵入乘客舱 麒麟电池采用导致电芯的方案，泄压阀朝下。在电芯发生风险时，泄压阀喷出的高温火焰可达1300℃，常规设计泄压阀朝上，为了避免火焰侵入乘客舱，必须在电芯及乘客舱之间设计防火层，增加了设计难点、成本，降低了能量密度。麒麟电池泄压阀朝下，火焰朝下喷发，不会威胁到乘客舱，同时电池下托盘的结构强度显著高于电池上盖，能够有效抗击高温气体冲击，倒置电芯的安全性能显著提升。 图表11麒麟倒置电芯 图表12麒麟倒置电芯泄压阀朝下 麒麟电池底部设置排气通道，通过排气通道及时排出高温气体。麒麟电池创新性的将结构防护、高压连接、热失控排气等功能模块进行智能分布，在保证了高度方向空间利用率的同时，进一步提升了电池安全性能。 图表13麒麟电池底部多合一设计 2、热：首创大面液冷板方案，可实现急速降温 为了防止单个电芯热失控后引燃其他电芯，必须在电芯中间增加防火措施。常规设计是在电芯中间加入气凝胶等隔热材料，增加成本的同时降低了体积利用率。麒麟电池创新性的采用大面冷却的技术，在电芯发生热失控的同时，通过液冷板的冷却液流动，及时将热量排出，使得失效电芯的周边电芯温度保持在安全范围内，从而实现无热蔓延。 图表14电芯大面冷却技术 图表15电芯大面冷却技术 3、电压、液体及固体：麒麟电池的设计难点 倒置电芯方案不利于高压防护。麒麟电池将结构防护、高压连接、热失控排气等功能集成为底部三合一模块，如果发生冷却液泄漏，极易造成高压短路防线，此外底部磕碰的保护也是难点。 图表16麒麟电池底部三合一模块 （三）第二类：主动防护，定向喷淋系统精准灭火；数据挖掘、提早发现隐患电池 主动式喷淋系统，实现精准灭火。根据宁德时代的专利显示，在电芯的泄压阀正上方布置液冷系统，当电芯发生热失控时，从泄压阀处喷发的高温气体能够融化液冷管路，冷却液利用自身重力实现精准灭火。 图表17喷淋系统示意图 图表18喷淋系统局部特写 基于车联网数据能够提升热失控预警能力，实现实时动力电池故障诊断和安全预警。动力电池基于监控平台大数据的动力电池安全预警、电池热失控扩散防护等新技术，对其安全性具有重要意义。通过大数据分析，实现机理&数据双驱动的故障诊断与安全预警。 对时间、电流、电压、温度等基础数据的采集，分析既有发生故障案例，追溯故障源头，提前发现车辆故障，保障用户生命安全，并通过将故障日志给到动力电池研发部门，也可以为车辆本身提供改进方向，有助于规范产品安全性设计。 图表19车联网平台数据 （四）第三类：本征安全，实现材料超高热稳定性 1、磷酸锰铁锂材料与三元材料混用，电芯可过针刺 磷酸锰铁锂与磷酸铁锂同为稳定的橄