鉅大LARGE | 點擊量：1912次 | 2019年04月29日
高能量密度的電池確實存在熱失控的風(fēng)險
4月21日晚，上海某小區(qū)一輛ModelS發(fā)生燃燒，幸運的是此次事故沒有造成人員傷亡，但是大火拉上了旁邊的奧迪和雷克薩斯“陪葬”，小區(qū)高層住戶也被疏散。事發(fā)時間約為21日晚8時15分左右。而根據(jù)車主董先生對記者的講述，事發(fā)時間距離他停車入庫的時間，不過半小時左右。實際上，這已經(jīng)不是特斯拉第一次發(fā)生自燃。2018年，重慶某小區(qū)地下車庫中，一輛特斯拉ModelS在未充電、未被碰撞的情況下發(fā)生自燃，被物業(yè)及時撲滅；2019年3月，一輛特斯拉在廣州某小區(qū)地下停車場發(fā)生燃燒事故。發(fā)生自燃的還不止特斯拉一家。2018年8月，成都一輛威馬EX5在威馬汽車研究院園區(qū)內(nèi)發(fā)生自燃；9月，合肥一輛奔馳電動汽車起火；10月，北京海淀區(qū)一輛長安奔奔EV起火。
對此許多媒體進(jìn)行了集中報道，不過看起來引發(fā)了特斯拉CEO的不滿。4月24日，特斯拉CEO埃隆馬斯克突然在推特連發(fā)4條推文吐槽媒體集中報道特斯拉自燃一事。他表示：“每年有超過100萬臺汽油車汽車發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致數(shù)千人死亡，但沒有一場像特斯拉汽車起火一樣成為頭條，為什么（媒體）要搞雙重標(biāo)準(zhǔn)？這問題太真實了?！彼€表示特斯拉起火的可能性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽油車：“現(xiàn)實是，特斯拉于大多數(shù)電動車一樣，起火的可能性比內(nèi)燃機低了500%，這是因為內(nèi)燃機攜帶大量易燃燃料，為什么沒人提到這一點?！瘪R斯克忿忿不平地說：“當(dāng)你讀到關(guān)于特斯拉的雙標(biāo)文章時，請先問一句為什么?！蹦壳吧虾Ｗ匀继厮估鸹鹪蛘谡{(diào)查中，有專家表示是電池短路所致，不過特斯拉中國否認(rèn)了這種說法，稱調(diào)查“未形成任何初步判定或結(jié)論”。
一個公認(rèn)的事實是，電池材料的能量密度越高，安全風(fēng)險也就越高。但從消費者層面來講，高能量密度代表著能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的高續(xù)航能力。一般的鎘鎳電池為500mAh或600mAh，氫鎳電池也不過800-900mAh;而鋰離子手機電池的容量一般都在1300-1400mAh之間，所以鋰電池充足電后使用的時間約是氫鎳電池的1.5倍，是鎘鎳電池的3.0倍左右。特斯拉在電池設(shè)計、電芯上代表了比較高的水平，目前仍然出現(xiàn)了一些問題，這意味著高能量密度的電池確實存在熱失控的風(fēng)險。
阿聯(lián)酋鋰電池公交車（荷蘭制造）
鋰離子電池雖然存在著一定的技術(shù)缺陷，但是以其特有的性能優(yōu)勢已在便攜式電器如手提電腦、攝像機、移動通訊中得到普遍應(yīng)用。鋰電池廣泛應(yīng)用于水力、火力、風(fēng)力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、特種裝備、特種航天等多個領(lǐng)域。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2013年1月7日，一架日航從東京成田機場出發(fā)抵達(dá)波士頓洛根國際機場的波音787在波士頓洛根機場的停機坪上，機身后部的輔助動力電池發(fā)生過熱，導(dǎo)致起火。機場消防隊花了一個多小時才撲滅火焰。事后檢查發(fā)現(xiàn)，不光電池和殼體嚴(yán)重?fù)p壞，泄漏的熔融電解質(zhì)和熾熱氣體使得半米以外的機體結(jié)構(gòu)也受到損壞。美國國家交通安全調(diào)查局（簡稱NTSB）的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，局部鋼結(jié)構(gòu)有氣化后冷凝的跡象，這說明局部溫度有可能高達(dá)3000度。
9天之后的1月16日，另一架全日空的波音787從山口往東京成田機場飛行，起飛后不久即將達(dá)到巡航高度時，飛行員在駕駛艙內(nèi)聞到刺鼻的煙味，儀表板上警告燈也顯示電池故障。飛機立刻在高松機場緊急降落，所幸機上129名乘客和8名機組人員通過緊急出口和充氣滑梯安全逃生成功。事后檢查發(fā)現(xiàn)，前機身駕駛艙下電子艙里的主電池過熱燒毀，殼體嚴(yán)重?fù)p壞。
日航和全日空立刻宣布所有波音787停飛，F(xiàn)AA也隨即宣布所有美國注冊的波音787停飛，這是1979年后FAA首次下令特定的民航客機停飛。在日本和美國相繼停飛后，世界其他國家也迅速跟進(jìn)。至此，全球波音787全部就地停飛，被迫散布在9個國家17個機場，其中最多的是東京成田，這里有日航和全日空的11架波音787。波音787的后續(xù)交付也全部停止。
波音787是全新一代的客機，F(xiàn)AA宣布停飛的時候波音剛開始交付才一年多。波音787代表了波音的未來，被譽為“夢幻客機”。波音787采用了大量新技術(shù)，機體材料有50%為復(fù)合材料（相比之下，波音777只有12%）。作為中型客機，波音787載客可達(dá)240-300人，巡航速度0.85馬赫，航程則達(dá)驚人的14200-15200公里。波音聲稱油耗降低20%，噪聲降低60%，70%為美國制造。由于波音的信譽和承諾，在波音787還沒有首飛的時候，就已經(jīng)接到超過800架的訂單。
787的鋰電池安裝位置
除了低油耗的先進(jìn)渦扇發(fā)動機和復(fù)合材料機體、機翼，波音787還是第一架高度電氣化的客機，用電動系統(tǒng)完成很多傳統(tǒng)上由液壓系統(tǒng)完成的動作，并提供先進(jìn)的機上環(huán)境和娛樂系統(tǒng)，改善旅客的體驗。比如說，波音787的機窗不再使用傳統(tǒng)的塑料拉板，而是使用電控改變透明度的液晶，用開關(guān)控制“開窗/關(guān)窗”。雖然高度電氣化使得波音787上的用電量比傳統(tǒng)客機大為提高，但是這些并不是機上電池來供電的，因為飛行中的用電是由發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機提供的。機上電池只用于在地面和空中啟動發(fā)動機，或者在地面發(fā)動機停車后提供地面輔助作業(yè)用電。換句話說，這對飛行是死重。為了以最小的空間和重量實現(xiàn)最大的蓄電量和放電電流，波音選用了先進(jìn)的鋰電池，這可以節(jié)約電池重量的30%。實際上波音787有兩組鋰電池，一前一后，各重約28.5公斤，各含有8個4伏的電池芯，串列后達(dá)到32伏電壓，可提供75安培-小時的電力。而這兩次電池起火都不在電池放電工作期間，日航787是在停機坪上“無所事事”期間，全日空787是在空中飛行期間，這和特斯拉在上海的著火事件有異曲同工之處。
燒毀的787鋰電池
鋰電池容易起火，筆記本電腦甚至手機里鋰電池莫名其妙著火的事情多有發(fā)生。更有甚者，一架美國UPS的波音747-400F貨機在裝運鋰電池時，貨艙起火，在迪拜墜機；另一架韓國韓亞特種的波音747-400F在太平洋上空也遇到同樣噩運。兩次墜機前，機組在最后失去聯(lián)系之前都報告機艙里發(fā)生濃煙烈火。鋰的化學(xué)性質(zhì)比較暴烈，而且一旦起火很難撲滅。鋰電池在過度放電后，再次充電時會充不進(jìn)去，電能不能轉(zhuǎn)換為儲藏的電化學(xué)能，反而轉(zhuǎn)化為熱能，造成電池過熱。更糟糕的是，鋰過熱后有溫度飛升的問題，也就是說，一旦溫度達(dá)到一定程度，鋰會自身產(chǎn)生熱，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高，直至起火。這個問題對于鈷酸鋰類型的鋰-離子電池尤其嚴(yán)重，因為導(dǎo)致溫度飛升的臨界溫度較低。
波音采用的正是采用鈷酸鋰的鋰-離子電池，由日本GS-湯淺公司制造。應(yīng)該指出，在前述鋰電池起火導(dǎo)致貨機墜機的事件里，那是鋰-金屬電池。鋰-離子電池要安全一些，但依然有自身的安全問題。鋰-離子電池為了提高效率，需要把電池芯緊密放置，這樣一旦起火，很容易蔓延，發(fā)生連鎖反應(yīng)。另外，長期反復(fù)充放電后，金屬鋰會析出，成為細(xì)微的金屬顆粒，時間久了，可能促成電極之間的短路。更糟糕的是，即使不在充電中，鋰電池也有可能發(fā)生過熱，甚至起火，起火原因經(jīng)常不明。
波音787全面停飛后，波音緊急調(diào)集了300多工程師，分成10隊人馬，日夜奮戰(zhàn)，集中攻關(guān)，力求盡快解決電池問題。三個月里，投入了20萬小時的工作量。地面試驗集中在6個星期里，累計60000小時。2月7日波音獲得FAA特批，用一架預(yù)定交付中國南航的波音787從得克薩斯飛往華盛頓州的艾弗賴特工廠，稍后在華盛頓州海岸外空載飛行，用于科研和試驗飛行。3月13日（一說22日），F(xiàn)AA批準(zhǔn)了波音的初步修改方案。4月5日，波音用預(yù)定交付波蘭LOT特種公司的第86架波音787驗證最后修改方案，方案和試驗結(jié)果得到FAA批準(zhǔn)，此后FAA批準(zhǔn)波音787復(fù)飛。
波音的修改方案為電池增加了很厚的保護(hù)外殼
波音的修改方案是多方面的。殼體得到極大的加強，增加隔離和耐熱能力。電池芯之間的空隙增加，并增加阻隔層，降低連鎖反應(yīng)的可能性。接線和安裝件加強防火能力，一旦發(fā)生火災(zāi)也不至于很快就被毀壞。充電系統(tǒng)進(jìn)一步精細(xì)化，精確控制充電電壓，防止過度充電。泄放管直接通向機外，不僅有效泄放有毒煙霧，還確保電解液受熱膨脹后不會溢出到其他部分，引起連鎖反應(yīng)，而是把熱源帶出機外。最重要的是，新的殼體不光隔熱，還阻絕空氣。在波音的試驗中，電解液被有意釋放，殼體受到強烈加熱，但由于缺乏空氣，殼體內(nèi)無法引起燃燒和溫度飛升。即使在引入空氣后，由于空間有限，而且后續(xù)空氣無法進(jìn)入，燃燒也只持續(xù)了200毫秒就熄滅了。修改使得重量增加了60公斤，基本上抵消了鋰-離子電池相比于鎳鎘電池的重量優(yōu)勢。
電池的制造商日本GS-湯淺在調(diào)查期間也備受壓力
波音787不僅是技術(shù)上的創(chuàng)新，還是生產(chǎn)管理上的創(chuàng)新。波音外包生產(chǎn)已經(jīng)有日子了，每年外包生產(chǎn)耗資280億美元，涉及全世界5400多個工廠，至少50萬從業(yè)人員。電池風(fēng)波可能使波音破費4-7億美元，但這對于波音的帳面來說其實不是什么了不起的開銷。問題是波音787采用外包件的程度大大高于以往，比如鋰電池就是一級外包到法國泰利斯，二級外包才到日本GS-湯淺。大范圍、多層次外包導(dǎo)致質(zhì)量管理松弛，供應(yīng)鏈漫長，技術(shù)改進(jìn)的反饋機制遲緩。質(zhì)量問題還沒有從日航和全日空電池起火的原因中排除。換回鎳鎘電池可以避開很多鋰電池的煩惱，但這不僅增加重量，還需要重新設(shè)計電池艙，以提供足夠的空間，這是不可忍受的大動干戈。這樣的修改需要FAA重新認(rèn)證。鋰電池修改導(dǎo)致的重量增加必將影響耗油。
2013年4月25日，美國聯(lián)邦特種署（簡稱FAA）正式批準(zhǔn)了波音飛機公司關(guān)于波音787電池的修改方案，這為波音787重返藍(lán)天打開了大門。波音公司已經(jīng)開始對已經(jīng)交付和已經(jīng)下線但尚未交付的所有波音787進(jìn)行修改，并由FAA核實。以后交付的飛機將直接采用修改后的鋰電池。4月27日，埃塞俄比亞特種公司的一架波音787從首都亞的斯亞貝巴起飛，兩小時后安全抵達(dá)肯尼亞的內(nèi)羅畢，標(biāo)志著波音787恢復(fù)飛行，鋰電池風(fēng)波到此大體平息。當(dāng)然，這不是一般的日常航班飛行，機上大部分乘客是波音和埃塞俄比亞特種公司的高官，還有大批新聞記者。
在整個電池風(fēng)波里，空客一面警覺地注視事態(tài)發(fā)展，適時宣布改回鎳鎘電池，另一方面沒有推波助瀾，而是兔死狐悲地宣稱“誰都會出問題，我們也不例外”。更重要的是，空客立刻贏得安全分，同時在鋰電池最終成熟的時候，已經(jīng)預(yù)留了換回來的空間和接口，到時候可以作為一個改進(jìn)用在新型號上，或者作為升級用在已經(jīng)交付的飛機上。
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