鉅大LARGE | 點擊量：486次 | 2019年05月07日
新能源車頻起火，鋰電池能量密度躍進就是一場＂賭博＂
近日，特斯拉、蔚來、比亞迪等品牌電動汽車接連發(fā)生起火事故。鋰電池的能量密度和安全性該如何兼顧？全固態(tài)鋰電池還有多遠？
1、鋰電池電解液是易燃溶劑，其中的鋰還有正極材料中的鎳、鈷是活潑金屬，暴露在空氣中易燃燒。
2、圓柱形鋰電池正極和負極間只隔一層微米級別厚度的隔離薄膜，遭受沖撞時容易破裂引發(fā)短路。
3、鋰電池的能量密度和安全性存在天然矛盾，因為能量密度提升意味著采用更高活性的正負極材料，或降低隔離膜的厚度，這兩項做法都將大幅增加電池的危險性。
4、全固態(tài)鋰電池是未來的發(fā)展方向，但還需要較長時間的科研攻關(guān)。
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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
近日，特斯拉、蔚來、比亞迪等品牌電動汽車在中國各地接連發(fā)生起火事件。
盡管特斯拉和蔚來汽車方面紛紛發(fā)布公告稱“車輛起火原因尚未確認，會在后續(xù)及時對外公布調(diào)查結(jié)果”，但這很顯然無法完全平息雙方在品牌層面遭受的負面影響，由此引發(fā)的焦慮開始在業(yè)內(nèi)和消費者中蔓延。
此次上海發(fā)生自燃的特斯拉型號為ModelSP85，目前已經(jīng)停產(chǎn)。這已經(jīng)不是特斯拉汽車第一次發(fā)生自燃了，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，在全球范圍內(nèi)，特斯拉的電動汽車在行駛、碰撞和充電導(dǎo)致的燃燒、自燃及爆炸事故，已經(jīng)發(fā)生超過50起，甚至被稱為“燒車的冠軍”。
頻頻發(fā)生的電動汽車起火事故，將電動汽車和動力電池的安全問題再一次推向了輿論的風(fēng)口浪尖，為快速發(fā)展中的新能源汽車市場蒙上了一層陰影。為何電力汽車的電池屢屢“過火”？我們又該如何應(yīng)對電動汽車電池的安全問題？
電池碰撞、靜放電池短路等是主因
電動汽車起火事故中，大部分是因電池而起，包括交通事故碰撞、短路自燃等等原因。電動汽車的興起源于鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，在廣泛應(yīng)用于電動汽車之前，手機和筆記本電池燃燒爆炸的事故早已屢見不鮮，電池的潛在安全隱患似乎已經(jīng)成為電力汽車前進發(fā)展的絆腳石。
電動汽車除了動力系統(tǒng)不同外，底盤、車身、內(nèi)外飾等都與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車型并無區(qū)別。電池是電動汽車的主要儲能部件，直接影響到電動車的性能。在電動汽車上，一個個單個的電池芯組成電池，一定數(shù)量電池被組合到一起形成電池模組模塊。
由于車輛上裝載電池的空間有限，運行所需的電池模組數(shù)目也較大，電池會以不同倍率放電，并以不同速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時間累積及空間影響，從而導(dǎo)致電池組運行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。
對于具體電池起火的情況，清華大學(xué)汽車工程開發(fā)研究院常務(wù)副院長、汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室副主任宋健介紹，這一般是由于電池內(nèi)部電解液及其分解產(chǎn)物被點燃造成的。
宋健介紹，從學(xué)術(shù)上來說，鋰離子主要做兩個運動，一個叫嵌入，一個叫脫出。不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。“內(nèi)燃汽車的油箱，僅僅是一個儲存燃料的地方。而電動汽車的電池組不同，鋰電池既是一個儲能裝置，又是一個化學(xué)反應(yīng)的裝置。電池在放電過程中同時進行著氧化反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為電能，然后輸出來驅(qū)動汽車電機?！?/p>
宋健指出，鋰電池中電解液是用易燃溶劑配置而成的，鋰電池的充放電過程，就是電解液中鋰離子的運動過程。鋰是一種活潑金屬，電池內(nèi)的鋰如果暴露在空氣中，就會與氧氣產(chǎn)生激烈反應(yīng)進而燃燒。
為了防止空氣進入電池內(nèi)部，汽車電池制造商一般會用多層外殼或塑膜來封閉電池，使得鋰不會與氧氣接觸，廠商也會在電池包外殼包裹堅硬保護殼。不過，在電池內(nèi)部又是另一番“脆弱”的環(huán)境。中國科學(xué)院院士歐陽明高指出，鋰電池的正極氧化劑和負極還原劑之間只隔一層微米級別厚度的隔離薄膜。目前電動汽車廠商為追求高能量密度、高續(xù)航，會將電池中的隔膜厚度進行削減，給電池造成了一定的安全隱患。
宋健表示，自己在實驗室做測試中就出現(xiàn)過隔離薄膜破裂的情況?！拔覀儗嶒炇业难芯拷Y(jié)果，模仿電動汽車發(fā)生劇烈碰撞的狀況，電池在一定的碰撞沖擊力和大氣壓強下，薄膜就會發(fā)生破裂，正極上的氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電池的正負極就發(fā)生短路了，局部溫度升高，就可能引燃電池的電解液?！彼谓〗榻B道。
電動車上的電池都是通過串并聯(lián)成組工作，單個電池組（或電池包）發(fā)生熱失控之后，局部釋放的能量向周圍傳播，將可能引起周圍電池的熱失控。數(shù)千顆電池芯間引發(fā)連鎖反應(yīng)，終致電池組全面起火爆炸，釋放巨大能量。所以在極端情況下，一個小故障就有可能會造成災(zāi)難性的后果。
魚和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然矛盾
當前，鋰電池已與我們的生活越來越緊密，我們的手機、筆記本電腦里面都有鋰電池。鋰電池指的是電化學(xué)體系中含鋰的電池，由正極材料、負極材料、電解液、隔膜材料四部分構(gòu)成。因正極、負極材料不同，而被區(qū)分成不同種類的電池，如常用的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等，常用的負極材料石墨、錫基、硅基、鈦基等。
在2016年Model3型汽車發(fā)布前，特斯拉電動汽車采用松下提供的18650型號的鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時。特斯拉的MODELS型汽車上的電池單元一共運用了約7千-9千節(jié)18650鋰電池，特斯拉的工程師首先將這些電池以磚、片逐一分配組成電池包，然后平鋪在車身底板上。
早在1991年，索尼公司就發(fā)布了首個商用鋰電池，同時索尼公司根據(jù)多年開發(fā)經(jīng)驗，綜合考慮后定下了一種標準電池型號：直徑為18mm，長度為65mm的圓柱形電池——也就是我們今天常說的18650鋰電池。之后這種圓柱形的鋰電池徹底革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。小到充電寶，大到汽車，這種圓柱形電池?zé)o時不刻不在影響著我們生活的方方面面。
今天松下、三星、LG等廠商旗下的的電池工廠仍然在24小時不停地生產(chǎn)著這種有著近30年歷史的產(chǎn)品。由于18650號電池的體積太小，無法通過工藝控制和原材料角度提高能量密度，降低電池成本，因而特斯拉從Model3車型開始，使用增大體積的21700號鎳鈷鋁三元鋰電池，也就是直徑21mm、長度70mm的圓柱形電池。
三元鋰電池全稱“三元材料電池”或“三元聚合物鋰電池”。它指的以鎳鈷錳（鋁）三元材料做正極材料，以石墨為負極材料的電池，所以稱之為“三元”。
三元鋰電池的最大優(yōu)勢在于電池儲能密度高，續(xù)航能力強；其次電池壽命、輸出功率、成本控制都不錯，因此特斯拉、比亞迪等國內(nèi)外汽車產(chǎn)商都紛紛選擇采用。但其安全性卻令人擔憂，宋健指出，三元鋰電池中的三元材料在達到一定溫度時，會分解釋放出極活潑的初生態(tài)氧，即使在沒有外界氧氣供應(yīng)的情況下，電池本身就具備可燃物、助燃物和著火源的燃燒三要素。
三元鋰電池中所含的鎳鈷錳（或鋁）三種金屬元素聚合物，在電池內(nèi)部發(fā)揮了巨大的作用。鎳、鈷是元素周期表中副族中的活性金屬，主要作用是提升電池的體積能量密度，是提升續(xù)航里程的主要突破口，要想電池讓汽車跑得更遠，那就勢必要增加鎳、鈷在三元材料中的比值，不過也必須承擔兩者化學(xué)性質(zhì)活潑帶來的安全隱患，魚和熊掌不可兼得。
“三元鋰電池中使用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性就越差?！敝袊こ淘涸菏織钤Ｉl(fā)表文章，旗幟鮮明地反對大力發(fā)展三元鋰電池。楊裕生認為，國家新能源汽車的補貼機制鼓勵電動汽車搭載高能量密度電池，電池廠商為追逐利益，在缺乏科學(xué)性的情況下，才大力發(fā)展三元鋰電池。
優(yōu)勢滿滿的全固態(tài)鋰電池發(fā)展緩慢
電池被安裝在空間有限的汽車里，其能量密度決定了電動車的行駛距離，目前電動車用的鋰電池能量密度約為120~150瓦時/公斤，根據(jù)《中國制造2025》動力電池發(fā)展規(guī)劃：到2020年，國產(chǎn)電動汽車的電池能量密度將達到300瓦時/公斤，2025年達到400瓦時/公斤，到2030年達到500瓦時/公斤。
隨著電芯和電池系統(tǒng)能量密度的進一步增加，保障動力電池系統(tǒng)安全的需求也會更加強烈，挑戰(zhàn)和難度也將隨之提升。十三屆全國政協(xié)副主席、中國科協(xié)主席萬鋼也曾公開表示，在發(fā)展電池能量密度的同時，要將動力電池系統(tǒng)電-熱安全作為電動汽車發(fā)展最關(guān)鍵的指標，從動力電池的單體模塊、電池包、電-熱管理以及結(jié)構(gòu)布置等方面綜合考慮，重視材料的穩(wěn)定性、充放電機制、熱失控防護和電-熱管理系統(tǒng)。
電池能量密度的躍進對于電池來說本身就是一場“賭注”，因為能量密度提升意味著需要采用更高活性的正負極材料，或減少隔離膜的厚度，兩項做法都將大幅增加電池的危險性。
如何解決能量密度和安全性的矛盾？中國科學(xué)院院士歐陽明高接受媒體采訪時候表示，全固態(tài)鋰電池是未來電池發(fā)展的方向。他介紹，目前業(yè)內(nèi)正在研究一種全固態(tài)電池，不會發(fā)生刺穿隔膜的問題。
歐陽明高院士強調(diào)，這個詞的每一個字都不能少、不能變，所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)成分的鋰電池。
全固態(tài)鋰電池由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，代替了易燃的常規(guī)有機溶劑電解液，電池燃燒問題可以得到有效解決。搭載全固態(tài)鋰電池的汽車，自燃概率會大大降低，可以說是下一代新能源汽車動力電池的理想對象。
不過歐陽明高院士坦承，真正意義上的全固態(tài)鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然是不成熟的?！叭虘B(tài)鋰電池的固態(tài)界面接觸性是重要的技術(shù)難點，也就是電解質(zhì)與電極之間形成高電阻界面問題，還存在技術(shù)不確定性，未來還需要較長時間的科研攻關(guān)?！?/p>
據(jù)悉，包括韓國三星、日本豐田在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進入測試階段。宋健介紹，盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路還需要進一步探究?！澳壳霸趯嶒炇抑幸呀?jīng)有全固態(tài)鋰電池的樣品出現(xiàn)，不過價格高昂，配備在汽車上，汽車的起售價動輒會上百萬人民幣?！?/p>
此外，就儲能性能來說，全固態(tài)鋰電池并非完美無缺，其最大的一個缺點就是高倍率放電性能極差，原因就是鋰離子的固態(tài)擴散速度比在溶液里擴散慢得多。不過一旦前面這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。
