王子冬：動力電池安全問題如何解決？能量密度與安全性需要平衡優(yōu)化
時間:2019-07-17 08:33來源:蓋世汽車 作者:楊曉紅
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中國動力電池創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長、中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施充電聯(lián)盟副秘書長王子冬
今年，電動汽車的安全問題有點兒多。
根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局的數(shù)據(jù)，2018年國內(nèi)至少發(fā)生40起涉及新能源汽車的火災事故，今年4月起，又接二連三發(fā)生電動汽車起火冒煙事故，動力電池安全性是一個敏感的話題，又是一個不能回避的話題。
近日，中國動力電池創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長、中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施充電聯(lián)盟副秘書長王子冬在首屆中國國際電動汽車安全技術(shù)創(chuàng)新大會上對電動汽車安全性問題進行了多維度剖析。他認為，動力電池在材料上沒有明顯技術(shù)突破前，比能量發(fā)展到一定水平后，就很難再有進一步的突破。與此同時，在安全性方面的負面影響卻越來越大。在沒有掌握鋰電池起火規(guī)律之前，把控能量密度與安全性和長壽命的平衡關(guān)系是不能忽視的問題。
動力電池技術(shù)路線之爭
這個問題由來已久，這也正是能量密度與安全性的博弈。
王子冬表示，“我們必須承認，電池組是一種含高能物質(zhì)的部件，具有危險性的本質(zhì)，而且，隨著電池比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險性將增大。”
在鋰電池眾多的技術(shù)路線中，磷酸鐵鋰與三元的對決最為膠著。
磷酸鐵鋰安全性高、壽命長，但是能量密度不如三元高，但可以通過提高電池容量加以彌補，低溫性能差，主要是在小容量電池上低溫性能低，材料一致性也差。
三元電池能量密度高，一致性好，低溫性能好，但是安全性略差，循環(huán)壽命遠不如磷酸鐵鋰電池。
“當前，在中國磷酸鐵鋰電池具有最成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，我們對相關(guān)領(lǐng)域掌握的核心技術(shù)也比較多，而三元電池則以日韓為代表，相對更成熟一些。”王子冬認為，這種技術(shù)路線的對決，更有一種中國vs日韓的意味。
如果單從動力電池本身的性能來評價，他列舉了10個維度：1.電池組的安全性、2.電池組的能量密度（而非單體）、3.電池組的循環(huán)壽命、4.電池組的成本、5.充電倍率、6.電池單體一致性、7.低溫性能、8.成組利用率、9.回收再利用的方便性、10.正負極材料可回收修復再利用。
作為一種能夠引領(lǐng)潮流的技術(shù)路線，在以上任何一個方面都不能有太過鮮明的缺點，需要做到各方面的均衡才是一種具有可行性的路線，而不是某一個單一性能指標高，比如說能量密度。
因此從以上10個方面分析對比，在這場對決中，三元和磷酸鐵鋰慘烈廝殺，痛苦角逐，互有勝負，也有平手，在這10場對決后，王子冬個人裁判，給出一個簡單的最終結(jié)論：在乎安全性、能量密度要求不是很高的場合，首選磷酸鐵鋰電池。
動力電池的天花板在哪里？
在王子冬看來，對提高動力電池能量密度需要有清醒的認識：能夠產(chǎn)業(yè)化的電動車用動力電池的性能提高，不僅僅是正負極材料性能上需要有幅度改進，同時在許多方面都需要有比較大的突破，才有可能實現(xiàn)動力電池真正意義上的提高。
那么從產(chǎn)業(yè)化動力電池的定義來說，國家提出的目標是：到2020年實現(xiàn)電動車充電一次可以跑400km，單體電池比能量達到：300Wh/kg（350）、600Wh/L（700）、0.6元/Wh，電池系統(tǒng)達到：220Wh/kg（260）、300Wh/L（380）、1.0元/Wh，循環(huán)壽命1500次（80%DOD）。
王子冬表示，從指標數(shù)據(jù)上看，要想實現(xiàn)這些指標難度還是比較大的。
目前國內(nèi)動力電池企業(yè)產(chǎn)品概況是：磷酸鐵鋰方面，規(guī)模化生產(chǎn)的能量型磷酸鐵鋰動力電池能量密度大致在140-180Wh/kg之間。三原材料方面，規(guī)模化生產(chǎn)的用于純電驅(qū)動的三元正極鋰離子動力電池能量密度大致在180-260Wh/kg之間。
從技術(shù)角度推論，如果電池組比能量要達到260Wh/kg，按照10KWh/kg/100km的能耗計算，形勢400km的電動車40KWh電池組電芯重量不能超過99.5kg，電池組的總重量不能超過153kg，軟包裝電芯的比能量需要超過402Wh/kg，難度可想而知。
由此可以推出，比能量達到350Wh/kg的電池（如果能做出來的話），需要做成大容量（80Ah以上）的鋁合金硬殼動力電池，這樣可以節(jié)省模塊化后占掉的重量，40KWh電芯總重量要控制在114.3kg以內(nèi)，只能占電池組重量比74.7%，其余的鋁合金箱體（25kg）、熱管理系統(tǒng)（2kg）、連接件和固定件（11.7kg）等的總重量不能超過38.7kg，站電池組的重量比25.3%，電池組總重量才能不超過153kg，電池組的比能量才可以達到262Wh/kg。
“為什么大家一提到高能量密度就想到軟包裝電池？從車輛工程的角度是看動力電池系統(tǒng)的能量密度，而非單體電池的能量密度。從單體電池到模塊，再到系統(tǒng)集成，中間環(huán)節(jié)比較多，電池之間的連接件、模塊之間的連接電纜、箱體、固定架、支撐架、導熱結(jié)構(gòu)等等，這些都會增加許多重量”，王子冬提出，需要在系統(tǒng)能量密度、可靠性及安全性方面做優(yōu)化。
動力電池的安全性
我國動力電池行業(yè)經(jīng)過十年積累，已經(jīng)有了非常大的提升，特別是對動力電池的理解和認識方面，應(yīng)對當下的電動汽車使用，應(yīng)該說是能夠勝任的。
現(xiàn)在的動力電池在材料上，如果沒有明顯技術(shù)突破前，比能量發(fā)展到一定水平之后，就很難再有進一步的突破，與此同時，在安全性方面的負面影響卻越來越大。“許多人曾經(jīng)問我，燃油車還經(jīng)常起火呢，且比電動汽車多，為什么對電動汽車要求這么高呢？”王子冬表示，這里有一個概念需要說清：燃油車的著火是能夠找到規(guī)律的，與許多已知因素有關(guān)，關(guān)鍵一點是燃油車的易燃物是燃油，是被密封在一個與外界隔絕的環(huán)境里，與氧氣（助燃劑）和火源分開，這種隔絕條件一旦被打破（如管路老化漏油遇到發(fā)動機高溫），就會出現(xiàn)事故。
而動力電池系統(tǒng)的易燃物是電解液，它與助燃劑氧氣（正極材料遇到高溫時會分解生產(chǎn)氧氣）和火源（內(nèi)短路、過充都會產(chǎn)生高溫）被密封在同一個容器環(huán)境里，因此它的安全不確定性也就顯得尤為突出。
王子冬就此打比方說，感冒與2003年SARS病毒誰對人類造成的傷害大？當然是感冒，但是人類恐懼SARS，因為對于SARS病毒，我們當時沒有可以治療的藥物。因此，在沒有掌握鋰電池著火的規(guī)律前，把控能量密度與安全性和長壽命的平衡關(guān)系是不能忽視的問題。
1、如何認識動力電池？
動力電池出生前就需要事先考慮好：電池模塊和電池組（系統(tǒng)）的可組裝性設(shè)計、可安裝性設(shè)計、可維護性設(shè)計、可調(diào)整性設(shè)計、回收可方便拆解性設(shè)計等。
這些性能的設(shè)計非常重要，不能把電池都造出來災區(qū)解決這些性能問題，鋰電池生來就是“爆”脾氣，為什么鋰電池會變身“定時炸彈”？
鋰離子電池主要由六部分組成，分別是正極、鋁箔、負極、銅箔、隔膜、電解液。
電池內(nèi)部的電解液含有大量有機物，比如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、磷酸二甲酯。這些家伙一個個都自帶燃爆屬性，臉上寫著“遠離火源”四個字。此外，電池的正負極一旦短路，就會大量發(fā)熱，甚至產(chǎn)生火花，所以，人們自然就會想到要用個東西把正負極隔起來，于是就引入了隔膜。
電池隔膜被減薄后，這層薄膜一旦破損，問題就會很嚴重。鋰電池本身也暗藏著刺穿隔膜的隱患，這類現(xiàn)象叫“枝晶”，這個問題是一種寫在鋰電池基因里的病，鋰電池在使用過程中，電極表面會形成一些小毛刺，這些小毛刺就叫“枝晶”，而且枝晶會越長越大，最終就會穿透隔膜，造成短路。
越薄的隔膜、可燃的電解液、暗流涌動的會自己生長的枝晶、高溫時材料分解會自動分離出氧氣，整個鋰電池就像是把火藥桶、助燃劑、打火機關(guān)在一個小屋子里，然后用一層保鮮膜隔開，讓誰去想都會膽戰(zhàn)心驚，現(xiàn)在，最關(guān)鍵的是要控制住“打火機”。
2、如何保證動力電池系統(tǒng)的安全性？
電池系統(tǒng)的安全必須由電芯來解決，電芯要保證安全，就必須采用更穩(wěn)定的材料，更安全的設(shè)計。
王子冬表示，現(xiàn)在是刻意放低電芯的安全要求，降本、提高能量密度，在做熱失控傳播實驗時就很難通過，評估整車的安全性還是應(yīng)該在源頭上的基本安全要求要把握好，在電芯層面的安全性上，選用更厚的隔膜，在電芯提高能量密度的設(shè)計上不應(yīng)該通過減薄隔膜厚度實現(xiàn)。
電池組充電時的安全管理是關(guān)鍵！由于動力鋰電池成組使用最關(guān)鍵也是最核心的問題：一是安全、二是壽命，特別是在快速充電時，電池組內(nèi)電池的差異加大，如何解決電池組的使用壽命，面臨巨大挑戰(zhàn)。
影響電池安全使用和循環(huán)壽命的因素，除了電池自身工藝性和產(chǎn)品質(zhì)量外，至關(guān)重要的一個問題是：電池成組充電時的安全性管控和熱管理技術(shù)。沒有完善的電池成組安全性管控和熱管理技術(shù)，電池的安全性和長壽命循環(huán)就無法保證，因此，動力電池充電的管理系統(tǒng)與電池自身的安全同等重要。
3、快速充電技術(shù)對動力電池要求很高
關(guān)于充電速度問題，大家都希望能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，當前的高能量型動力電池充電速度可在約40-60分鐘內(nèi)補充80%的能量，對于城市內(nèi)通勤交通工具，并不構(gòu)成電動汽車真正的使用障礙，但是對于希望用電動車解決城市之間的交通問題恐怕就有些問題了。
從快充到超快充（200-400kW），實現(xiàn)10分鐘內(nèi)補充90%的能量，將有效縮短電動汽車與內(nèi)燃機汽車之間的差距。
王子冬表示，目前的設(shè)計方案是，減少電極的厚度、改變電池結(jié)構(gòu)、以及更適合快充的材料選擇，這些都將增加動力電池的生產(chǎn)成本，同時降低其能量密度，還會降低動力電池系統(tǒng)的壽命，需要從整體考慮進行優(yōu)化。
另一方面，如何減小電池組在快充過程中單體電池之間的差異，就需要合理的熱管理系統(tǒng)設(shè)計，以提高動力電池的使用壽命。
4、動力電池的安全性問題如何解決？
王子冬認為，新能源汽車安全事故主要由動力電池熱失控所引起，熱失控不僅僅是結(jié)果，原因也錯綜復雜，事故源頭難以明確，安全性問題應(yīng)得到高度重視。
業(yè)界不斷反思安全問題，盲目追求高能量密度成為焦點，專業(yè)人士指出，理論上電池能量密度與安全性成反比，企業(yè)追求高能量密度，安全問題隨之暴露，雖然未能明確已發(fā)生的起火事件與追求能量密度存在多大相關(guān)性，但隨著高鎳三元電池進入市場，新能源汽車面臨更高的安全技術(shù)要求。
如何在高能量密度和提高安全性間取得平衡，成為當前業(yè)內(nèi)亟待解決的一大難題，各個企業(yè)則從單體電芯、模組設(shè)計和電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計多個層級提高整體安全性。
提高動力電池的安全性主要是從三個層級來做，包括單體電芯、模組設(shè)計和電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高整體安全性，單體電芯方面，可以通過在電解液中加入添加劑降低其易燃性，提高隔膜耐溫性，或者提高正極材料穩(wěn)定性等方式來改進，模組設(shè)計方面，通過加強溫控設(shè)計，BMS充電管理或者改變單體連接方式提高安全性，車輛層面，可以通過電池的位置擺放以更好地散熱，改進充電方法，減少由于充電不當造成安全隱患。
既然電池組是一種含高能物質(zhì)的部件，具有危險性的本質(zhì)，而且，隨著電池比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險性將增大。故此，就需要研究能量密度與安全性這對矛盾的平衡，包括材料性能的平衡，電池模塊結(jié)構(gòu)的平衡，電池組系統(tǒng)級別的平衡，成本可接受性的平衡，考慮多級利用過程中的平衡，動力電池材料回收過程中的平衡。
解決途徑的研究包括：材料性能的匹配優(yōu)化，電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，電池組系統(tǒng)與車身一體化設(shè)計，生產(chǎn)制造成本的控制，推廣多級利用攤薄應(yīng)用成本，鼓勵動力電池材料修復再利用。
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