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提高新能源汽车锂电池的安全性

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发布时间:2019-05-01 16:13:39



提高新能源汽车锂电池的安全性



4月21日晚8时许,上海徐汇区裕德路泰德花苑小区地下车库内,一辆特斯拉轿车突然冒出白烟,进而起火燃烧,有附近车辆也遭遇烧毁。  
4月21日,上海徐汇区一小区地下车库内一辆特斯拉轿车突然起火。4曰22日下午,一辆正在维修中的蔚来ES8起火燃烧。4月24日,武汉市一辆比亚迪e5纯电动汽车发生自燃。近期,锂电池纯电动汽车发生多起自燃事件,引起了大众对于锂电池和新能源汽车安全的关注。特斯拉的锂电池组是由几千只容量若干安时的小圆柱单体电池构成,而蔚来和比亚迪则使用的是几十安时的单体方形电池组成的电池组。比亚迪和特斯拉新能源车的累计保有量,居于世界前列,虽然都发生了自燃事故,我们从电池技术的角度来看看,这两种电动车哪一个更安全呢?
这个问题需要从锂电工作原理和结构开始讨论。锂电池的全称是锂离子二次电池,通过锂离子在正负极移动来实现能量储存和对外放电。我们现在使用的锂电池,正极、负极、电解液和隔离膜一起构成锂电池四大主材,占到锂电池重量的90%以上。锂电池的四大主材中,正极在高温下会发生化学反应,产生大量的热;负极和隔离膜材料是可燃的;电解液是沸点和燃点很低的有机溶剂,极易发生燃烧甚至爆炸。那么锂电池在什么情况下会发生燃烧或者爆炸呢?
研究发现,锂电池储存电能后处于一种亚稳定状态,过高的温度会导致锂电池发生热失控。锂电池在充放电时,特别是充电时,会产生大量的热能。如果热量没有及时排放出去而在电池内部积累,会使温度不断升高。当到达临界点时,亚稳态的电池正负极材料会与电解液发生剧烈的反应,迅速产生大量热能,发生热失控。大量的电解液在高温作用下会汽化并破坏电池壳体,在与空气接触后,发生燃烧甚至爆炸。
另外,当锂电池发生短路时,电池内部形成超高的短路电流,瞬间产生大量的热,很可能直接发生热失控导致燃烧爆炸。
再有就是新能源车交通事故引起的电池碰撞挤压和破损,造成电池短路从而引起燃烧。统计表明,电池充电、短路和碰撞,是新能源汽车发生自燃的几种最主要的场景。
回到大数量小容量和大容量小数量两种电池组谁更安全的问题上,本质上就是比较那种技术路线能更好地避免发生热失控。对于单一只电池来说,更小的容量意味着电池散热更容易,电池发生短路时放出的热量更少,总之,发生热失控的几率越低,安全性越高。既然如此,我们可以说特斯拉的电池更安全吗?
在电池组中,即使单只电池出现热失控,小容量电池释放出的能量也不会导致整个电池组燃烧爆炸。然而小容量电池组成的电池组结构复杂,系统集成效率低,小容量电池必须使用能量密度更高的正负极材料(高镍三元正极和硅碳负极)。高能量密度的材料的热稳定性较差。实际上我们必须在电池组的系统层级上来评估安全性才是合理的。
所以哪种电池更安全,目前还是个文无第一,武无第二的事。但目前看来,这两种技术路线都可以通过国标安全测试,都是安全可行的技术路线。因为电池在出厂之前,都有严格的检测流程。国标GB/T31485-2015和GB/T3146.3-2015对单体锂电池、电池模块和电池包的安全测试和要求做出了明确的规定。
但是电池行业对于锂电池热失控机理仍然研究不够深入,我们对于电池设计和制造的安全把控还不足。特别是客户对于新能源车续航里程需求不断提高,这就要求锂电池能量密度不断提高,更是增加了电池和系统的安全风险。
锂电池安全实现质的提升,最根本还是要依靠材料技术的进步。上世纪90年代左右,碳材料被成功开发成为锂电池的负极材料,这样锂电池才能够多次安全充放电不发生燃烧,锂电池第一次实现了商品化。使用耐高温的陶瓷涂层隔离膜锂电池的热稳定性和安全性进一步提高。但是正极材料的热稳定性一直没能得到很好的提高,电解液也一直采用易燃易爆的有机体系。锂电池热失控最根本的解决方法是开发出难燃或者不燃的电解液,这样即使发生各种短路或者热失控情况,电池也只是发热而不会剧烈燃烧爆炸。
材料的进步是很困难的,现有材料体系下,提高电池安全性,最主要的办法是从改善电池设计和提高制造工艺入手。随着新能源汽车补贴退坡,车厂不再一味追求续航里程和电池能量密度,转而更加看重安全性和性价比,更多的锂电池生产厂家,也不再追求极限的电池设计和工艺过程,这样是有助于提高电池安全性的。
市场对于锂电池安全要求和性能要求是推动电池发展的动力,生产厂家需要不断推动锂电池材料技术研发和生产制造的进步,进而提高锂电池安全性。可以预见,锂电池会越来越安全,新能源汽车技术也会越来越成熟。如何在现阶段选择一款安全的锂电池新能源汽车?最好的选择是购买知名品牌的汽车企业生产的成熟产品。