新能源车前瞻技术研究之一：新能源车自燃问题分析.pdf

请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 行业相关股票 股票 股票 EPS PE 投资 评级 代码 名称 2020 2021E 2022E 2020 2021E 2022E 上期 本期 688005 容百科技 0.48 1.35 2.29 108.22 82.31 48.63 买入 买入 300207 德方纳米 -0.32 3.93 7.12 -527.62 110.49 60.91 暂未评级 暂未评级 300499 高澜股份 0.29 0.32 0.40 35.26 41.96 33.93 暂未评级 暂未评级 002050 三花智控 0.41 0.54 0.67 60.56 44.43 36.05 暂未评级 暂未评级 688700 东威科技 0.80 0.99 1.46 - 60.40 40.69 暂未评级 暂未评级 资料来源 ： WIND， 德邦研究所 （ 暂未评级股票来自 Wind 一致预期 ， 其余来自德邦预测 ， 数据截至 2021年 10 月 14日收 盘 ） Table_Main 证券研究报告 | 行业深度 电气设备 2021年 10月 16 日 电气设备 优于大市 （ 维持 ） 证券分析师 马天一 资格编号： S0120521050002 邮箱： maty 研究助理 苏千叶 邮箱： suqy 张家栋 邮箱： zhangjd 吴含 邮箱： wuhan3 市场表现 相关研究 1.光伏封装胶膜行业深度报告 -格 局清晰、壁垒深厚，铸就光伏行业强 贝塔， 2021.10.12 2.风电行业点评 -海风超预期平价， 十 四 五 需 求 有 望 达 45GW ， 2021.10.12 新能源车前瞻技术研究之一： 新能源车自燃问题 分析 Table_Summary 投资要点： 自燃事件频发，安全问题成为新能源汽车的达摩克利斯之剑，“永不自燃”已经成 为行业共识 。通用汽车因电池安全问题召回 14.2万台 Bolt EV， LG将为此赔偿 19 亿美元 ，此次召回将是新能源汽车发展进程中的里程碑事件，安全问题迫使各企业 加速 推出“永不自燃”电池技术方案。 热失控防护关键影响因素 众多 ，材料热稳定是基础，系统防护是核心。 针刺试验成 为电池安全测试标准，比亚迪选择全面切换至铁锂电池， 其余 大多数企业选择铁锂、 三元两条技术路线。 三元 材料稳定性差，电芯无法安通过针刺，主要通过加强系统 级防护 ，使得电池包通过针刺试验，即使发生单电芯热失控，也不会危及乘客和整 车，只需更换电池包即可。 第一代热失控防护方案 ：圆柱 最简 单，方形 已突破，软包难度最高。 该方案以加强 隔热，加快散热为主要技术手段。通过单体释放能量、单位散热能力、 周边电芯隔 热能力等多维度定量分析，发现不同封装方式对电池热失控防护有重大影响。 第一 代技术 目前已实现量产，其中以广汽“弹匣电池”、上汽“永不自燃”电池、蔚来 “无蔓延安全设计”电池等为代表。 第二代热失控防护方案：大量灌注冷却液灭火 ，预计 2023年量产 。 大量灌注水是 目前唯一能够熄灭锂电池火焰的方法 。精妙设计电池包冷却管路，在热失控时充分 利用电池包内冷却液，实现定向灌注冷却液灭火。防爆阀在上方的硬壳电芯使用该 方案的效果最佳 。 第三代热失控防护方案：超高热稳定性材料是关键，高镍电芯均可通过针刺。 目前 已知可行的技术路线包括 与磷酸锰铁锂混用 、复合集流体、固态电介质等。磷酸铁 锰锂与高镍材料混合后，热稳定性显著提升， 正极材料的 主要放热峰温度由 217 提升至 252，释放总热量由 2362J/g降低至 1800J/g。宁德时代专利显示在试验 条件下，采用复合集流体后的 10 颗 NMC811 电池均通过针刺试验 。 OPPO也 发 布了复合集流体的相关技术 。 固态电解质燃点非常高， 能提高电池热稳定性能，但 目前技术并不成熟，全固态电池量产为时尚早。 风险提示： 技术进步不及预期，新技术应用不及预期，产品开发验证与实际使用存 在差异，原材料及能源供应不及预期，新能源汽车销量不及预期 。 -13% 0% 13% 27% 40% 54% 67% 81% 2020-10 2021-02 2021-06 2021-10 电气设备 沪深 300 行业深度 电气设备 2 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 内容目录 1. 自燃事件频发，系统级热失控防护是当前解决问题的关键 . 5 1.1. 自燃事件频发，“永不自燃”成行业共识，针刺成为“网红实验” . 5 1.2. 热失控防护关键影响因素，材料热稳定是基础，系统防护是核心 . 8 1.3. 热量传递方式及影响电芯间热扩散的核心影响因素分析 . 9 2. 第一代热失控防护方案：圆柱最简单，方形已突破，软包难度最高 .11 2.1. 不同封装方式对防护效果影响重大，圆柱最简单，方形次之，软包最难 .11 2.2. 广汽埃安“弹匣电池”核心技术解读，加强隔热，加快散热为核心 . 12 2.3. 软包电池的热失控防护难度最大，成本最高 . 14 3. 第二代热失 控防护方案：大量灌注冷却液灭火 . 15 4. 第三代热失控防护方案：超高热稳定性材料是关键，高镍电芯均可通过针刺 . 16 4.1. 磷酸锰铁锂改善高镍材料热稳定性 . 16 4.2. 复合集流体取代常规铜箔 /铝箔，适用性最强 . 19 4.3. 固态电解液，具有超高热稳定性，短时间量产难度大 . 22 5. 三 代热失控防护技术方案总结 . 25 6. 投资建议 . 25 7. 风险提示 . 25 行业深度 电气设备 3 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 图表目录 图 1：某品牌新能源汽车着火 .5 图 2：电池组成及车企防护路线选择 .7 图 3：刀片电池宣传资料 .7 图 4： 磷酸铁锂材料热重 -质谱曲线 .8 图 5：镍含量与容量，热稳定性关系图 .8 图 6：电芯热失控时间 -温度曲线示 意图 . 10 图 7：方形电池底部冷却 . 12 图 8：圆柱电池侧面冷却 . 12 图 9：软包电池底部冷却 . 12 图 10：“弹匣电池”核心技术宣传 . 12 图 11：第一代热失控防护方案详解 . 13 图 12：第二代热失控防护系统示意图 . 15 图 13： LFMP与 LFP结构示意图 . 16 图 14： LFMP与 LFP电压 -容量曲线图 . 16 图 15： 20%LFP+80%NCM 形貌图 . 16 图 16：高镍掺不同比例 LFMP的热稳定性测试 . 17 图 17：使用 LFMP与三元材料混用电芯可通过针刺试验 . 17 图 18： NMC811电池针刺试验数据 . 18 图 19： NMC811混用 LFMP电池针刺试验数据 . 18 图 20： LFMP相关厂商 . 18 图 21：传统集流体和复合集流体示意图 . 19 图 22： OPPO复合集流体技术 . 19 图 23：电池重物冲击试验示意图 . 20 图 24：电池重物冲击试验 . 20 图 25：电池针刺试验示意图 . 20 图 26：电池针刺试验 . 20 图 27：宁德时代复合集流体示意图 . 21 图 28：固态电池结构图 . 23 图 29：固态电池中固态电解液和金属锂的接触界 面示意图 . 23 表 1: 部分召回事件及损失 .5 行业深度 电气设备 4 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 表 2：热失控实验条件及防护等级划分 .6 表 3 各企业 “永不自燃 ”方案发布 .6 表 4: 铁锂 VS高镍性能参数对比 .7 表 5：热失控防护设计 .8 表 6：不同车型和封装技术的电芯间热扩散的核心影响 因素 . 11 表 7：第一代热失控防护方案“弹匣电池”核心技术及其解读 . 13 表 8： 第一代热失控防护方案新增零部件 . 14 表 9：第二代热失控防护 -喷淋系统核心技术及其解读 . 15 表 10： NMC811电池针刺试验结果 . 22 表 10：锂离子电池和固态电池对比 . 23 表 11：固态电池企业主要正极材料仍采用三元高镍 . 24 表 12：三代热失控防护技术方案可行性 . 25 表 12：三代热失控防护技术方案成本与量产时间 . 25 行业深度 电气设备 5 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 1. 自燃事件 频发， 系统级热失控防护是当前解决问题的关 键 1.1. 自燃事件频发，“永不自燃”成行业共识，针刺成为“网红实验” 自燃问题频发 ， 成为阻碍新能源汽车发展的掣肘 。 新能源汽车频繁爆出自燃 事件， 已经引起了消费者、企业以及国家 监管部门的高度关注，也给相关企业造 成了巨额损失。 国内众多车企都爆发过汽车自燃事件，面临着不小的监管压力。 图 1： 某品牌新能源汽车着火 资料来源： 说说车友， 德邦研究所 2021 年 8月 通用汽车召回 Bolt EV，预计召回费用 19亿美金 ， 这是到目前 为止新能源汽车最大的召回事故。 今年 8月 Bolt EV在美国起火，通用汽车开始 召回所有 14.2万台 的 Bolt EV，同时将无限期的 停止销售 Bolt EV电动汽车（恢 复销售得等到这次召回的车辆得到妥善处理以后），并将向电池供应商 LG 寻求 赔偿。根据汽车电子设计的信息，通用汽车和 LG 的专家已经确定，电池中同时 存在两种制造缺陷（负极极耳撕裂和隔膜发生褶皱）是导致 Bolt EV起火的根本 原因，除韩国梧仓工厂，其他工厂也有相似的制造问题，且通用目前没能力确认 生产出质量过关的电池模块。 2021 年 2 月 现代汽车召回 81701 辆 KONA EV，预计召回费用 80 亿人民 币 ，原因是电池存在起火风险。 这不 是 KONA EV的首次召回 ， 在 2020年 10月 现代汽车就宣布召回了 2.5万台 KONA EV， 并对 电池管理软件进行了更新，加强 软件对车辆异常的监控与报警功能 ，并对存在起火风险的车辆更换了电池 ，但之 后再次发生了自燃事件，说明补救措施并未达到预期效果，现代汽车不得已再次 召回。 表 1: 部分召回事件及损失 时间 车企 电池供应商 召回损失 备注 2021-08 通用 LG 19 亿 美金 通用汽车开始召回所有 14.2 万台的 Bolt EV，同时将无限期地停止销售 Bolt EV电动汽 车（恢复销售得等到这次召回的车辆得到妥善处理以后） 。 2021年 10 月通用发布消息称已和 LG达成赔偿协议 ， LG电子已同意向通用汽车支付高 达 19亿美元（约合人民币 122.5 亿元）赔偿 。 2021-02 现代 LG 80 亿人民 召回在全球售出的 81701辆电动汽车，召回的原因则是车辆存在起火风险。 行业深度 电气设备 6 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 2020-10 现代 LG 币 现代宣布召回 2.5 万辆 KONA EV汽车，并对电池的电池管理软件进行了更新，加强软件对车辆异常的监控与报警功能，并对存在起火风险的车辆更换了电池。 2021-03 北汽 孚能 3000万 -5000万元 北汽召回共计 31963辆 EX360 和 EU400 纯电动汽车。原因为车辆动力电池系统的一致 性差异，在高温环境下长期连续频繁快充，可能导致个别单体电池电芯性能劣化，极端 情况下引发偶发失效，引起动力电池起火风险，存在安全隐患。 2019-06 蔚来 CATL 不详 蔚来汽车 召回部分 ES8 电动汽车，共计 4803辆。 车辆使用的电池包（动力电池总成）搭载规格型号为 NEV-P50 的模组，模组内的电压采 样线束存在由于个别走向不当而被模组上盖板挤压的可能性。在极端情况下，被挤压的 电压采样线束表皮绝缘材料可能发生磨损，从而造成短路，存在安全隐患。 资料来源： 公开信息统计， 德邦研究所 “永不自燃”成行业共识 ，评估标准就是针刺试验，国标要求的 5min 是底 线。 在行业内，电芯发生不可控的剧烈放热反应称之为热失控，电芯热失控引发 其他电芯热失控称之为热扩散或者热蔓延。 在自燃事故频发的背景情况下，车企 面临着巨大的监管及召回压力。 2021年 5月发布的新国标 GB 38031-2020电 动汽车用动力蓄电池安全要求 中，特别 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。 而 5分钟本质是最底线要求，众多车企的要求实际上是电池包过针刺，若发 生热失控，不影响乘客安全及整车安全，事后只需将电池包更换即可继续使用。 表 2： 热失控实验条件及防护等级划分 系统热失控防护等级 系统热失控防护时间 实验条件 L0 Pack 无明火 在环境温度 45，实际使用最高 SOC，通过针刺 /加热的方式 触发一颗电芯热失控，以触发电芯热失控至 电池 包外见明火 的时间 划分系统热失控 防护等级。 L1 60min L2 30min L3 10min L4 5min 资料来源： Super锂电池， 德邦研究所 各电池企业密集发布 “永不自燃”电池包的解决方案。 这几年电池和汽车企 业对电池自燃问题进行了 大量 的研发工作，并取得了不错的进 展，至今为止已经 有比亚迪、宁德时代、欣旺达、广汽新能源、上汽智己、蜂巢能源、岚图汽车 、长 城汽车 等多家企业发布了“永不自燃”电池包的解决方案。 表 3 各企业 “ 永不自燃 ” 方案发布 发布时间 企业 备注 2020-03 比亚迪 刀片电池可以通过针刺实验 2020-10 宁德时代 已经开发出“永不起火”的 811 电池 2020-11 蔚来汽车 无蔓延安全设计 2020-12 欣旺达 单晶高电压镍 5X体系材料 ，可通过电池包针刺实验 2020-12 蜂巢能源 发布热失控系统性解决方案 冷蜂 ， 彻底解决电池系统的热失控问 题 2021-03 岚图汽车 三元电池在热失控触发并发出热事件报警信号后，无冒烟、无起火、无爆炸现象发生 2021-04 上汽智己 标配“永不自燃”的电池包 2021-04 广汽新能源 “弹匣电池” ，可通过电池包针刺实验 2021-09 长城汽车 发布大禹电池 ， 号称是永不起火、永不爆炸的电池 2021-09 岚图汽车 发布琥珀电池和云母电池 ， 分别做到 30分钟乃至静置 50天“不起火、不爆炸” 资料来源： 公开信息统计， 德邦研究所 电池组成可分为 4个层级：材料、电芯、模组和系统，在任何一个层级阻隔 热失控， 即可以实现 “永不自燃”。 不同 企业 选择的路径有所差异 ，但殊途同归， 最终目的都是实现“永不自燃”。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；广汽、上汽等选择的是增加系统层级的防护措施，电池包 行业深度 电气设备 7 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 过针刺试验。 图 2： 电池组成及车企防护路线选择 资料来源： 公开信息， 德邦研究所 比亚迪 刀片电池出圈 ，针刺成为网红试验。 2020年 3月，比亚迪发布刀片电 池，其中刀片电池和三元电池的针刺试验 传播度很高， “你的电池能过针刺吗？” 成为客户购买电动车的考虑因素。 在“永不自燃”的技术路线上，比亚迪义无反顾 的选择了热稳定性更高的铁锂材料，后续大部分车型都会切换至铁锂电池。 图 3： 刀片电池宣传资料 资料来源： 连线新能源， 德邦研究所 铁锂与三元的技术路线之争已持续多年， 高镍的劣势 在于成本高及安全性能 差。 在补贴时代，由于能量密度要求，三元电池逐渐成为主流，但在补贴退坡之 后， 在刀片电池以及特斯拉的引领下，磷酸铁锂电池强势回归 。 表 4: 铁锂 VS 高镍性能参数对比 性能 铁锂 高镍 代表企业 德方纳米，比亚迪 容百科技，当升科技 成本 低 较高 安全性能 高 低 能量密度 低 高 低温性能 差 较差 循环寿命 2000 cycles 10002000 cycles 资源供给 丰富 钴含量有限 优点 成本低廉，安全性能好，寿命好 能量密度高， 缺点 能量密度低，低温性能差 成本高，安全性能差 资料来源： 今日有色， 德邦研究所 行业深度 电气设备 8 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 1.2. 热失控防护关键影响因素，材料热稳定是基础，系统防护是核心 影响热失控防护效果的因素众多，可 划 分为材料级，电芯级，模组级以及系 统级。 材料热稳定性是基础，但在当前阶段，材料级尚未出现可量产的技术突破， 企业主要依靠系统防护实现“永不自燃”的目标。 表 5： 热失控防护设计 影响因素 备注 材料 材料热稳定性 如 复合集流体、磷酸铁锂、 固态电解质材料的热稳定性高，相应的电芯安全性能好 电芯 泄压阀设计 及时、有效、定向的释放能量 单体能量 单体能量越大，释放能量越大 膨胀率设计 电芯膨胀压力越小，释放的气体越少，有助于减轻系统防护压力 防高压短路设计 防止电池内部 JR与壳体之间短路，通常在回路中增加大电阻 断开高压回路设计 在电芯内部压力过大时断开电芯内部回路，避免电芯热失控 模组 电芯间隔热设计 隔热设计 气体通道设计 及时排出高温气体 防高压短路设计 防止电池外部短路 系统 散热设计 降低电芯温度 模组间 隔热设计 隔热设计 喷淋系统 通过往电池包内加注液体等方式进行主动降温、灭火 监控系统 实时监控电芯状态，在问题发生前或问题发生初期扼杀风险 防火设计 避免高温火焰烧穿 pack 结构件或者密封件 气体通道设计 及时排出高温气体 泄压阀设计 及时排出高温气体 导流设计 电芯热失控后的喷发物定向导流，避免喷发物接触系统薄弱点 防高压短路设计 防止电池外部短路 资料来源： 锂离子电池制造工艺原理与应用 ， AI 汽车制造 ， 高工锂电 ， NE 时代 ，公开资料整理， 德邦研究所 材料热稳定性是热失控防护的基础 ，铁锂材料的热稳定性明显优于三元材料。 比亚迪展示 的 针刺实验在公众眼中成为了安全标准。 如 刀片电池采用热稳定性高 的磷酸铁锂材料， 根据 磷酸铁锂材料的热重 -质谱分析曲线，可以看出磷酸铁锂在 温度 400以上出现显著的放热峰，表现出良好的热稳定性。对比之下，经典比 例三元材料的热重曲线 中， NCM811的放热峰出现在 230左右 ， NCM111 的放 热峰出现在 306左右 ，三元材料的热稳定性明显劣于铁锂材料。 图 4： 磷酸铁锂材料 热重 -质谱 曲线 图 5：镍含量与容量，热稳定性关系图 资料来源：锂电前沿，德邦研究所 资料来源： 连线新能源 ， 德邦研究所 除比亚迪全面转向铁锂材料外 ， 大部分车企都是同时兼顾铁锂和三元两条技 术路线 ， 如何在电芯、模组及系统层级实现“永不自燃”目标，成为产业链上下游 共同攻坚的难题。 行业深度 电气设备 9 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 电芯追求高能量密度，内部设计越来越极限，电芯层级无空间增加防护措施。 为了满足整车的续航要求，电芯的尺寸越来越大，同时电芯的体积能量密度越来 越高，内部填充的活性物 质也越来越多，内部设计越来越极限，在电芯内部增加 防护措施对能量密度影响太大 。实际上电芯层级的安全等级在降低，老国标 GB/T31485-2015 中过充标准是 150%SOC，而在新国标 GB/T 38031-2020中， 过充标准降低至 115%SOC。宁德时代等众多企业也取消了电芯 SSD（一种断开 电芯内部回路的装置）设计，使得电芯内部有更多空间容纳活性材料。 模组内和电池系统内部有较多空间做热失控防护设计 ，阻止电芯间的热扩散 是关键 。 由于模组的载电量越来越大，电池包结构无法承受一个模组完全热失控 时的能量， 所以在电芯间阻止热扩散是主要解决方案，同时要求电 池包结构能够 承担少量几颗电芯热失控带来的冲击及热量。 1.3. 热量传递方式及影响电芯间热扩散的核心影响因素分析 热量传递有三种基本方式：热传递、热对流、热辐射。 在电芯热失控之后， 一部分热量通过高温烟气被带走，剩下的热量则通过这三种方式传递至周边电芯 或者其他零部件。 热传递的基本方程式： dQ=- dA dt/dn 热对流的基本方程式 ： Q=A t/ （ 平壁导热 ） 热辐射的基本方程式： Q=AT4（平壁导热） Q： 导热速率 ， A导热面积 ， dt/dn： 温度梯度 ， 导热系数 ， t 平壁两侧温差 ， 平壁厚度 ， 斯忒藩 -玻尔兹曼常数， T：热力学温度 在热失控过程中，热传递是最主要的热量传导方式。 热传递速率与接触面积、 导热系数、温度梯度成正相关关系。 阻止周边电芯温度达到自发性产热临界温度 K是关键。 根据 电芯热失控时的 时间 -温度曲线示意图，当 t1时刻 对 电芯 进行加热或者针刺，触发该电芯热失控。 在发生热失控 后 ，周边电芯会受到热失控电芯的加热以及电池自身或整车热管理 系统的散热； t1t2时刻由于热失控电芯的剧烈放热，导致周边电芯加热 散热，温 度逐渐升高，若温度升高至自产热温度 K，则会由于电芯发生不可逆的自发性产 热导致电芯热失控，从而引发连锁反应造成其他电芯热失控，整个传递过程称之 为热扩散。若电芯的隔热效果较好，周边电芯的温度上升缓慢，在热平衡时刻 t2 达到最高温度 K1，此时 K1低于电芯的自产热温度 K，则电芯在 t2时刻后，温度会 逐渐降低至室温，不会引发其他电芯热失控，避免整车自燃风险。 行业深度 电气设备 10 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 图 6： 电芯热失控时间 -温度曲线示意图 资料来源： 连线新能源 ， 德邦研究所 综合分析电芯间热扩散的核心影响因素包括：单体释放能量，单位散热能力， 周边电芯隔热能力。 单体释放能量指的是电芯在发生热失控时对外释放的总热量，与电芯材料、 单体电芯能量、电芯封装方式等息息相关。 单位散热能力指的是每度电的电池与外界进行热交换的能力，主要与热管理 系统设计、电芯的直接水冷面积相关。 周边电芯隔热能力指的是触发电芯与周边电芯的热量传递情况，主要与电芯 间的直接接触面积以及传热系数相关。 行业深度 电气设备 11 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 2. 第一代热失控防护方案： 圆柱最简单，方形 已突破，软 包难度最高 2.1. 不同封装方式对 防护 效果 影响 重大 ， 圆柱最简单 ，方形次之， 软包最 难 第一代防护方案以 加强隔热，加快散热为主要技术手段 ， 不同封装方式对 电 池热失控防护 有重大影响 。 选择典型设计方案，综合对比三者的单体释放能量 、 单位散热能力 、 周边电芯隔热能力。 圆柱电池的单体释放能量最低。 热失控释放的能量 与电芯材料、单体电芯能 量、电芯封装方式等息息相关。 在假设电池材料热稳定相同的情况下 ，简单将单 体释放能量等同于单颗电芯的能量。特斯拉的 21700圆柱电芯能量为 0.01776kwh， 是 方形电芯的 1.7%， 软包电芯的 4.1%。 单位散热能力与电芯与水冷板的直接接触面积成正相关。 在特斯拉蛇形水管 +导热胶的设计中。每个电芯侧面至少有 1/6的面积直接接触水冷管（考虑到电芯 间隙中填满了导热胶，实际散热面积应大于 1/6）。每度电的水冷散热面积约为 0.043m2，是 方形电芯的 2.7倍，软包电芯的 2.5倍。同时考虑到软包电池接触水 冷板的侧面并非平整的，实际冷却效果应低于方形电池。 周边电芯隔热能力与电芯间的直接接触面积以及传热系数相关，直接接触面 积越小，传热系数越小，则隔热能力越强。 每个圆柱电芯周边有 6个电芯，但是 电芯之间并没有直接接触，具体分析，与 2个电芯隔着水冷板，与 2个电芯隔着 隔热棉，与同排 2个电芯无直接接触，电芯间的直接传热面积是 0m2。而软包与 方形电芯，都是通过 大面 与周围电芯直接接触，大面之间都需要增加相应的隔热 材料，来增加隔热能力。方形电池的 每度电 需要隔热面积为 0.0314m2，软包电池 每度电 需要隔热 面积 为 0.0976m2。 总结：三种封装方式中，在假设电池材料热稳定相同的情况下，圆柱电池的 单体释放能量最低，单位散热能力最好，周边电芯的隔热能力最强，热失控防护 方案最简单有效。 表 6：不同车型和封装技术的 电芯间热扩散的核心影响因素 方形电池 圆柱电池 软包电池 基本信 息 系统 载电量 kwh 100 80 84 水冷板位置 pack 底部 电芯侧面 pack 底部 单体容量 Ah 280 4.8 120 单体尺寸 mm 250*66*112 R21*70 508*84*14.7 单体释 放能量 单体能量 kwh 1.044 0.01776 0.438*2 2个电芯间无隔热 单位散 热能力 单体水冷面积 m2 0.0165 0.00077 0.0747 每度电水冷面积 m2 0.0158 0.043 0.017 周边电 芯隔热 能力 每个电芯与周边电芯的 直接接触面积 m2 0.056 0 0.0853 需要隔热总面积 m2 3.14 0 8.20 每度电需要隔热面积 m2 0.0314 0 0.0976 隔热设 计 电芯与电芯之间的隔热 设计 每个电芯与 2个电芯接触， 电芯之间采用陶瓷隔热垫 每个电芯接触 6个电芯，与 2 个 电芯中间隔着蛇形水冷管，与 2 个电芯中间隔着隔热棉，与两个 电芯线接触（填充导热胶） 每个电芯与 2 个电芯接触， 与其中一个电芯中间有泡棉 隔热材料总面积 m2 每个电芯一块陶瓷隔热垫 0 每 2 个电芯一块泡棉：508*84*24*4/1000000=4.1 行业深度 电气设备 12 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 250*112*7*16/1000000=3.1 4 资料来源： Super锂电池， 德邦研究所 图 7： 方形 电池底部冷却 图 8： 圆柱电池侧面冷却 资料来源： 绿芯之友， 德邦研究所 资料来源： 公开资料绘制， 德邦研究所 图 9：软包电池底部冷却 资料来源： 上海车展公开信息， 德邦研究所 2.2. 广汽埃安“弹匣电池”核心技术解读， 加强隔热，加快散热 为核心 2020年广汽 Aion S搭载了宁德时代的 NCM811电池，发生了多起自燃事故， 一时间成为了新闻热点。痛定思痛下广汽开启了电池热失控防护安全研究，终于 在 2021 年 上海车展前 发布了全新一代动力电池安全技术，官方将此技术命名为 “弹匣电池系统安全技术”（下简称“弹匣电池”），由于电芯置于型似“弹匣”的 安全舱 ， 所以得名“弹匣电池”。 “弹匣电池” 本质仍然是通过提高单位散热能力以及周边电芯的隔热能力来 达到“永不自燃”的目标。 广汽官方宣传“弹匣电池”采用了 4项核心技术，综 合分析“弹匣电池”仍属于第一代热失控防护技术范畴。 图 10： “弹匣电池” 核心技术宣传 行业深度 电气设备 13 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 资料来源： 汽车消费网，车云， 德邦研究所 表 7： 第一代热失控防护方案“弹匣电池”核心技术及其解读 官方宣传 技术解读 1 超高耐热稳定电芯，使电芯耐热温度提升 30%：正极 材料应用了纳米级包覆和掺杂技术；电解液中使用 了新型添加剂实现 SEI 膜的自修复；采用高安全电 解液，大幅降低热失控反应产热。 将原来宁德的 8系三元切换至中航锂电的 5 系高电压三元，材料的 热稳定性大幅提升； 对电池材料和电解液进行改性，进一步提升热稳定性； 2 超强隔热电池安全舱：采用网状纳米孔隔热材料， 使相邻电芯不发生热失控；采用超耐高温上壳体， 耐温 1400 度以上 。 电芯与电芯中间有隔热气凝胶，有效延缓热量传递； 将上盖 材料由铝 更换成钣金，耐受温度由 800提升至 1400； 3 极速降温三维速冷系统，使散热面积提升 40%，散热 效率提高 30%：应用全贴合液冷集成系统，高效散热 通道设计和高精准导热路径设计。 全贴合的液冷系统； 热失控时开启液冷系统，及时快速的带走热量； 4 全时管控第五代电池管理系统：模式上进化为全时 巡逻模式，采用最新一代电池管理芯片，全天候数 据采集频率达到 10次 /s， 24小时全覆盖；监测到异 常能够第一时间启动异常自救、启动速冷系统。 增加采集数据的频率； 24h 全天候监控（类似于特斯拉的哨兵模式），异常情况切断电源、 开启液冷系统； 资料来源： 汽车消费网，汽车电子设计， 德邦研究所 第一代热失控防护方案的新增的零件价值量在 500-1500 元 ，由于单个零部 件的价值量不高，供应商基本以中小企业为主。 相比于无任何防护的电池包，新 增零部件包括：气凝胶等隔热材料、中间复合板、模组防火棉、整包防火毯、防爆 阀、压力传感器等。不同企业的电池包设计可能存在差异，但第一代热失控防护 设计思路以及所需要的零件基本一致。 图 11：第一代热失控防护方案详解 资料来源： Super 锂电池 ， 德邦研究所 行业深度 电气设备 14 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 表 8： 第一代热失控防护方案新增零部件 备注 单包价值 /元 供应商 模组 气凝胶等隔热材料 200500 高澜股份、泛亚微透、 爱彼爱和 中间复合板 200400 宁波冠华 电池系统 模组防火棉 50150 浙江正荣 整包防火毯 150300 宁波葆尔 防爆阀 30150 泛亚微透、 东莞蒲薇 资料来源： 各公司官网，公司公告， 德邦研究所 智己汽车采用的设计思路基本与 “ 弹匣电池 ” 一致。 上海车展期间智己汽车 首款车型亮相，采用了“永不自燃”的技术方案，通过“预、导、构、隔、疏”五 重防护方案，确保其动力电池达到较高的安全系数：“预”，指从云端实时预警， 一旦系统判断电池有热失控风险，能立即召回故障车辆；“导”，指主动冷却系统； “构”指低热导结构，“隔”指全方位热隔离设计，利用新型隔热材料，使电芯之 间的热传递尽量缩小；“疏”指高效排烟通道，可以把单个电芯热失控产生的高温 烟气尽快定向排出包外，不至于引发其他电芯的热失控。 2.3. 软包电池的热失控防护难度最大 ， 成本最高 以 表 6中的电池方案为例 ，从单体释放能量、单位散热能力、周边电芯隔热 能力三个维度分析软包电芯的热失控措施。 单体释放能量 ： 软包电池 与 方形电池基本相同 。 两片软包电芯并联，每两片 电芯之间隔一张泡棉，针刺一颗电芯必定引发另一片并联电芯热失控，故单体释 放能量应该是两片电芯的总能量即 0.876kwh，单体释放能量是方形电池的 84%。 单体散热能力 ， 软包电池弱于方形电池 。 软包 每度电水冷面积 为 0.017 m2， 略高于方形电池的 0.0158 m2，但考虑到软包电池侧面并非平整面，且 铝壳的导热 率效果优于铝塑膜，综合考虑软包电池的散热能力弱于方形电池。 周边电芯的隔热能力 ：软包电池和方形电池 表现出明显的差异： 1）方形电池 有防爆阀，可以定向将热量释放至电芯上方，而软包电池目前做到定向泄压难度 较高，热失控发生时热量可能直接对着周边电芯喷发，进一步弱化防护效果； 2） 方形电池的铝壳在热失控的一段时间内可以保持结构完整性，软包电池的铝塑膜 结构强度低，在电芯间的隔热材料 必须有一定的结构强度，否则在高温条件下易 结构坍塌，无法起到隔热的效果； 3）隔热材料的选择上，软包电池受到的限制也 更多，软包电池间的泡棉的主要作用是吸收电芯膨胀，但泡棉的结构强度低，隔 热性能差。如果换成隔热效果更好的气凝胶材料，则成本会有较大幅度的提升， 如果使用支撑结构强度稍好的材料，则电芯间隙必将增大，导致系统能量密度降 低； 4）软包电芯是大面接触，需要隔热的面积很大，按照每两片电芯隔一片防护 材料，每度电需要的隔热面积是 0.0976 m2，是 方形电池的 3.1倍。 至今为止尚未有软包电池企业发布“永不自燃”的热失控防护方案。 相比于 圆柱电池和方形电池，软包电池的热失控防护难度最大，成本最高。 目前部分软 包电池企业试图每 5片左右电芯隔一片复合隔热材料，试图平衡结构强度、膨胀 空间以及隔热效果，但真正的防护效果如何仍然有待验证。 行业深度 电气设备 15 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 3. 第二代热失控防护方案：大量灌注冷却液灭火 大量灌注水是目前唯一能够熄灭锂电池火焰的方法， 第二代热失控防护方案 就是利用电池冷却液进行灭火。 设计方案主要是在电池泄压阀上方新增一套水冷 系统， 在电池发生热失控时， 高温气体从泄压阀处喷出，融化 电芯上方的 铝 板后， 铝板内的冷却液由于重力向泄压阀处灌注，实现灭火冷却， 安全性能得到大幅度 提升。 缺点是该系统占据一部分空间，降低体积利用率及能量密度。目前已经有 包括宁德时代、上汽智己等多家企业在研究，已完成初步的可行性评估。在合适 的实验条件下，在单颗电芯热失控后，冷却液可以顺利注入电芯壳体中，没有明 火蔓延至电池包外。 图 12： 第二代热失控防护 系统示意图 资料来源： Super锂电池 ， 德邦研究所 第二代热失控防护方案简单有效，核心受益厂商是银轮股份、三花智控等动 力电池热管理企业。 我们 预计 该方案最早 在 2023 年推向市场 。 防爆阀在上方的硬 壳电芯使用该方案的效果最好。 表 9：第二代热失控防护 -喷淋系统核心技术及其解读 核心技术 技术解读 1 喷淋系统满足车规级耐久要求 一般设计方案中，在电池防爆阀上方安装铝制水冷 板，热失控电芯的喷发物把铝制水冷板融化，冷却液 受到自身重力或者水泵压力，灌注到电芯壳体内，剩 余冷却液溢出对周边电芯进行降温。 电芯喷发物需要能够融化铝制水冷板，软包电芯无法 做到定向泄压， 实际效果仍然待验证 ； 由于整车的冷却液一般只有 45L，精准将冷却液加 注到热失控电芯内部才能发挥最佳效果，但软包电芯 没有壳体能够容纳冷却液， 实际效果仍然待验证 。 2 喷淋系统要求体积小，质量轻 3 喷淋系统能够在热失控时及时开启 4 喷淋系统能够准确将冷却液体加注到热失控处 5 喷淋系统能够配备足够的冷却液体 6 冷却液有一定的水压，能够顺利完成加注 7 硬壳电芯的使用效果最好，壳体能够作为冷却液的容器 8 防爆阀最好在上方，热失控时冷却液利用自身重力流向着火点 资料来源： Super锂电池， 德邦研究所 软包电池厂商也在尝试该思路。 目前已经有部分厂商尝试将软包电池的水冷 工作原理： 当电芯热失控时，高温气体从 泄压阀处喷出，融化铝板后， 铝板内的冷却液由于重力向 泄压阀处灌注，实现灭火冷却 的目的。 方形电芯 电芯 泄压阀 铝板（内含冷却液 通道） 行业深度 电气设备 16 / 26 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 板由电池底部更改为电池顶部，这有助于改善热失控，但由于软包电芯定向泄压 难度大，且铝塑膜结构强度低，没有容纳冷却液的容器，实际效果仍然待验证。另 外取消底部水冷板，也会弱化电池底部的安全防护。 4. 第三代热失控防护方案：超高热稳定性材料是关键，高 镍电芯均可通过针刺 4.1. 磷酸锰铁锂 改善高镍材料热稳定性 磷酸锰铁锂（ LFMP） 能量密度 比 磷酸铁锂（ LFP） 更高 ， 两者的放电容量 相 近 ，但 LFMP平台电压更高 。 LFMP与 LFP 的 晶体结构相 同，也属于橄榄石结构， LFMP除了具有较高的理论比容量（ 170mAh/g）外，还具有高的放电平台（ 4.1V VS Li+/Li），因此具有较高的能量密度，在完全充放电的情况下，比 LFP高 1520%。 LFP 的导电性差 ， LFMP比 LFP 更差 ， 目前导电性的问题已基本解决 。 橄榄 石型 LFP本质上具有较低的电子电导率（室温下约为 10-9-10-10 S/cm）和 Li+扩散 速率（室温下约为 1.810-14cm2/s） 。 LFMP的电子电导率 （室温下 10-10 S/cm） 和 Li+扩散速率 （ 室温下 =1500 次， 5C快充 2020年完成 1GWh 车载固态电池产线的试车， 2021年开始量产，全球