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[行业动态] 追根溯源 电动车电池安全问题解读(一)

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发表于 2020-9-25 11:36:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】追根溯源 电动车电池安全问题解读(一)
什么是纯电动车发展道路上的绊脚石?这个问题的答案不只一个,但众多答案当中,有一个最受到大家的重视,那就是电动车的安全问题,因为它和我们的生命安全息息相关。而在众多影响电动车安全的问题当中,电池安全最棘手、影响也最大,于是这一次我们打算用四期选题,追根溯源,从动力电池的发展、现状、未来等不同阶段,以动力电池辐射到整车,剖析纯电动车的安全问题。

本期是该系列选题的第一期,我们将带您回到中世纪,看看电池是如何诞生的,作为驱动车辆的能源,它又经历了什么,从什么时候开始,它变成了“危险份子”?



如果这世界上真的有时光机,那让我们回到1786的一天,在意大利一个潮湿、充满腥气的解剖室当中,来自意大利的解剖学家Luigi Galvani(伽尔瓦尼)和他的助手正准备解剖一只死青蛙。当他双手举着手术刀,碰触到青蛙的腿部时,青蛙的腿部肌肉抽搐了一下。




这个名叫伏特的小伙子不仅是个贵族,同时还是一个物理学家,他受到本杰明·富兰克林的启发,多次实验论证,产生电流的并不是青蛙的肌肉,而是一些液体和两块异质金属。尽管伽尔瓦尼的结论并不准确,但从他开始,人们就开启了一系列对可储存电能的研究。




可能是伏特太过于沉迷于掌声,他并没有深入对这些电化学反应进行研究,电流产生的基本原理,他并不知道。正如在发明了罐头之后很多年人们才发明了开瓶器一样,很长一段时间内,人们并不知道电堆产生电的原理。


实际上“伏特电堆”的银片和锌片就是后来我们说的电池的正负极,而盐水浸湿的纸片就是后来的电解质。当时的科学家对化学电池进行了多方面的尝试,人们发现在电池产生电的同时,还会出现很多气泡(氢气),气泡控制不好,电池就容易膨胀、爆炸。



这时候的电池,电压低、容易爆炸、因为电解质使用的是硫酸,所以还有搬运不方便的问题存在,于是1888年,化学家卡斯尼尔将淀粉加入电解质中,制成浆糊状,从此这类电池就被成为“干电池”。在这里需要说明一下,现在动力电池当中的电解质也是浆糊状的,但为了和固态电池当中固态的电解质区分,我们也通常将前者叫做电解液。
随后镍镉、镍铁电池被发明出来,但由于当时这些材料比其它蓄电池的料贵得多,因此实际应用受到了阻碍,但这也让镍这种正极材料体系的电池开始进入了人们的视野。之后科学家对电池的研究,都在如何让电池的电力更持久、更安全、成本更低的道路上不断努力。


如果大家还能背出元素周期表,那就会知道排在前列的锂是比较活泼的金属元素,科学家们发现将复合材料混合锂离子制成的电池能放出的电量最多,而且锂的重量非常轻,用它制作的电池体积非常小,为电池的广泛推广、应用打下基础,但事物总有双面性,锂过于活跃,容易发生内短路,存在的安全隐患比较多。




由于锂活性较高,遇到水或者空气都会发生反应导致燃烧和爆炸,那么如何稳定它呢?科学家发现锂离子具有嵌入石墨的特性,因此尝试利用这个特性制作充电电池,首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。


由于该思路和当时锂离子电池研究的方向不大一致,当时没有任何一家企业敢接古迪纳夫的发明,甚至他的母校牛津大学都不愿意为其申请专利。不过这时候一家来自日本的公司伸出了橄榄枝,它就是索尼公司。至此锂离子电池发展的“权杖”从欧洲转移到了亚洲。


实际上从1992年索尼将锂离子电池商业化之后,锂离子电池开始大量在消费电子产品中出现,广泛的应用不仅拉低了它的成本,同时也推动了锂离子电池的发展,能量密度更高、续航里程更长,充电倍率更高、各种材料体系的锂离子电池出现:钴酸锂、磷酸铁锂、三元锂电池层出不穷。


不安全因素伴随着电动车发展



磷酸铁锂材料相比钴酸锂材料拥有更结实的晶体结构,这意味着更加耐久和安全,并且它的主要构成元素是我们生活中随处可见的铁和磷,所以生产成本要比钴酸锂低得多。后来人们对电池的能量密度又不太满意了,于是更高电压、能量密度更高的三元锂电池出现在人们的视野当中。




从电化学电池的发展历程来看,它起源自欧洲,在亚洲被发扬光大,通过多年的发展,目前铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池,它们因为各自的“个性”特征被应用在生活的各个方面。那么锂电池在这么多电池种类当中,凭什么脱颖而出成为车辆动力电池的优选?本身带有不稳定性的它,为什么还能让车企业趋之若鹜呢?




早期的电动车风靡了很短暂的一阵,由于当时用作动力的铅酸电池体积大、质量大、能量密度小,电池重达1200磅,进行维护的时候需要将其整个取下,且在电池的底部会形成沉淀物,不定时清理容易造成短路,硫酸等电解液会流出,造成中毒或发生爆炸。汽油车的先驱Charles Duryea查尔斯·杜里埃曾开玩笑地说:“一组电池比一座全是病人的医院还难伺候”。当时的电动车没能发展起来还有一个重要的原因,当时电动车依然是贵族的工具,因为欧洲很多地方家里还没有通电。



EV1使用的是铅酸电池组,续航仅为96公里,铅酸电池续航能力差也成为电动车不能逾越的一道坎,尽管随后通用使用了镍合金电池组代替铅酸电池,但续航里程仅达到260公里,和汽油车没法比,且电池里的材料造价不菲、污染严重。
  福特也曾尝试使用钠硫电池当作动力电池,它的续航能力是铅酸电池的三倍,但这种电池在实验室中频频起火,最终没能应用到量产车上。虽然纯电动车型的发展受到了阻碍,但油电混合动力车型在这个阶段有了一定的发展,镍氢电池也是在这时被广泛使用,它稳定性高、耐过充过放,即便能量密度低,续航里程少,但由于车型不单单是靠电力驱动,因此它的缺点也能被人们所接受。





车用动力电池从诞生起就一直在循环性能、成本、安全性、能量密度、容量这几大方面寻找平衡点。实际上不仅是车用动力电池,这几大方面甚至贯穿了整个电池发展200多年的时间,人们在互相拉扯、选择之间推动着事物的发展,可以预见的未来是我们还将在这些方面不断探索和前进,作为车用动力电池来说,如何达到最完美的平衡,需要的可能是我们全人类的努力。

锂电池不安全的源头




电动车安全问题一直是热门话题,近期关于“811”三元锂电池不安全的讨论甚嚣尘上,但脱离电池包、车辆整体单讨论电芯未免过于片面。为什么这么说?因为引发动力电池不安全的原因很多,这一期我们就从锂电池内部探讨一下,导致锂离子电池不安全的罪魁祸首到底是什么?现阶段引起电动车起火、爆炸的内、外因又有哪些?锂电池的安全问题是否避无可避?



在说锂电池的不安全性之前,我们还得复习一下上一期的内容,上一期,我们从历史的长河中了解了电池的诞生史,综合各方面能力,锂电池是目前纯电动乘用车动力电池的最佳之选。锂电池的基本结构是由正极、负极、隔膜和电解液组成,根据我们之前讲的,锂电池可以实现放电、充电,实际上是锂离子在正、负极之间来回运动,发生氧化/还原反应,这也是锂电池被称为“摇摆电池”的原因之一。


锂电池发生氧化还原反应时会释放一定的热量和气体,当内部的热量高于散热速率,就会导致 “热失控”现象。“热失控”现象一旦出现,就意味着潘多拉的魔盒被打开了,电池内部的化学反应会形成连锁反应,一旦“热失控”现象无法被及时控制,极易引起燃烧、爆炸。




从锂电池的工作原理我们可以得知,锂电池自燃、爆炸的罪魁祸首是“热失控”,那什么情况下会引起“热失控”?它真的避无可避吗?
想要回答这个问题可能不是特别容易,因为引起锂电池“热失控”的因素有很多,而且是相互混合的,总体可以归结为电池内、外短路、电气滥用和机械滥用三大种。电池内、外短路是指由于电池材料、生产原因而引起的内部短路,进而释放了大量热量导致的“热失控”,在这里我们将单体电芯的内短路和电池包内的短路都归到这一类。






三元锂电池当中镍的比重越多,也代表着不稳定因素越多,热失控的危险系数越高。一般的三元锂电池热失控温度低于300℃,一些高镍比例的三元锂电池热失控温度甚至低于200℃,这也是目前不少人诟病高镍比例三元锂电池的原因。
  而另一种锂电池磷酸铁锂电池,它的稳定性要比三元锂电池要好,磷酸铁锂电池热失控温度普遍在500℃以上,相对来说安全性更高,但磷酸铁锂电池也有缺点就是能量密度低,目前主流的磷酸铁锂电池能量密度一般在140-190Wh/kg左右。


三元锂在容量、能量密度上都有优势,能够带来更长的续航里程,只要控制得当,它的优势能够掩盖它的劣势,这也是当前不少车企选择三元锂电池的原因之一。而磷酸铁锂在循环性能、安全性和成本上有一定的优势,也有不少车企开始重新选择使用磷酸铁锂电池,尤其是在一些对续航里程没有那么刚性需求的车型上,比如微型车、小型代步车等。


从市场环境来看,目前车载动力电池基本分为两大阵营,磷酸铁锂和三元锂,且三元锂电池的装机量依然拥有较大的市场占有率。从安全的角度来说,降低电池内、外短路风险的办法之一就是选择相对稳定的材料,或者加重电池材料当中的稳定物质,比如锰、铝的配备。不过高镍的三元锂电池也不是洪水猛兽,电池厂商和车企有电芯结构设计、电解液配方、隔膜特性、生产工艺模组和电池包的安全设计等一系列的解决方案。

引起不安全的诱因及解决方案
方案一优化电芯结构、提高产品素质



这也是为什么车企都在追逐头部电池企业,都选择使用它们的电芯,因为这类电池制造商的良品率、稳定性和一致性相对较高。此外,针对锂电池内部电解液的易燃性,一些电池厂商还会增加一些不易燃烧的电解质涂层,比如陶瓷涂层,目的就是为了延长电池热失控的时间。

方案二
选择合适的封包形式、模组
除了材料选择关系到电池的安全性,它的封装形式对安全性起到至关重要的作用。目前我们主流的电池包装方式以外壳形状分为圆柱型、方壳型、软包型三种。

早期的特斯拉Model S配备了7000节单体电芯,一个电池都不好控制,大量电池无疑会增加安全防控技术的负担。目前主流的车企也逐渐“抛弃”了圆柱型动力电池。根据高工产业研究院(GGII)数据显示2017年我国新能源汽车圆柱动力电池装机总电量约12.57GWh,2018年装机总电量减少到7.11GWh,到2019年圆柱电池装机量不足5GWh。




电体电芯的安全需要把控,电池模组甚至是整个电池包的排布也非常讲究,电池包内部的线束、壳体都容易造成电池包的短路。




除了电池内、外的短路,引起电池“热失控”的另一个诱因就是电气滥用,这里指的是过充、过放电、低温下大电流充电等,这些都会增加电池“热失控”的风险。


过度充电会导致过多锂离子嵌入负极无法脱嵌,若过度放电,会导致负极层级结构崩塌,使锂离子无法再嵌入其中,久而久之产生的结果就是电池容量降低、寿命缩短,而且过充还加剧锂枝晶的成长。


方案一
电路保护、配备大管家

电池管理系统包括电池传感器和电池温控系统,电池传感器负责监控每个电芯的电压和温度,确保电池包内的平衡,不会出现某个单体电池过充、另一个又充不满。且一旦发现不正常现象,系统能够及时上报到车辆电脑内,并发出警报,以便驾乘人员有足够的时间做出判断。



方案二
强制锁电


一些车企会提供车辆充电上限可调节,用户可设定每次充电的上限,并通过用户手册对车主进行教育,充到80%以上即可。快速充电时,电量达到80%以上,电流会下降也可以看作是保护电池过充的方法之一,选择上述哪种方法来保护电池健康是每个汽车厂商不同策略的选择,随着人们对电动车安全问题越来越关注,电池保护也逐渐成为了更多汽车厂商研究的课题。


机械滥用是由于外力的作用,锂电池单体、电池组发生变形,导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路,易燃电解质泄漏最终引发起火。这个诱因很好理解,不用说那么多理论来解释了,也因为如此,它的解决方案也比较直接,一则是防,另一则是隔。
方案一
提高抗击打能力




方案二
避免殃及池鱼
  防,是保护电池不受外力冲击的第一层关卡,不过一旦发生了热失控或者电池包内一个电芯出现了过热现象,那就需要第二道关卡来保护安全了,那就是隔。

总体来说,无论是增加电池包内的隔离材料还是增加隔离空间都会造成电池包增重、降低电池包内容量,都会影响到整车的续航里程,也正因如此,一些车企也会为了追求更高的续航里程而走更加激进的路线,放弃这部分设计。

全文总结:
  我们知道了锂电池危险的源头来自“热失控”,而导致“热失控”的诱因不仅来自电池原材料,还和电芯生产工艺、模组设计甚至与电池包内电池管理系统、车身结构息息相关,所以要讨论动力电池安全与否,也不能单单从它是三元锂还是磷酸铁锂这么片面的角度去讨论,而是要看电池包整体甚至是车辆整体的设计。反过来说,车企想要选择能量密度更高的高镍三元锂电池,就要有更为系统性的规划和更为出色的电池管理系统,来平衡它的不稳定性。
来源:汽车之家


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