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動力鋰電池能量密度要與安全性平衡

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年08月17日  

五月四日,杭州九堡客運中心門口,一輛正在行駛的面包車發生自燃。五月八日,鄭州日產帥客EV在東莞某充電站自燃,致使多車嚴重損毀。六月五日,一輛江鈴易至EX5在湖州長興某小區發生自燃。六月二十二日,一輛歐拉iQ在保定市瑞興路的國家電網充電站內自燃。六月二十八日,杭州余杭盛奧西溪銘座地下車庫發生一起新能源汽車自燃事故……


“五月以來,電動汽車安全事故頻發、‘火燒連營’。”原我國北方車輛研究所動力鋰離子電池實驗室主任、我國汽車動力鋰離子電池產業創新聯盟副秘書長王子冬坦言,目前電動汽車自燃事故還不能“歸零”,給新能源汽車推廣帶來巨大的負面影響。


在近日舉辦的“動力鋰離子電池安全設計及防護技術線上研討會”上,王子冬反復強調,對電動汽車安全要有正確認識,在目前電池起火原因尚不明晰的情況下,動力鋰離子電池能量密度的提升要與安全性尋求平衡優化。


電池自燃的根本原因是內部短路


“‘高溫炎熱的夏天更容易起火’的說法并不正確。”王子冬指出,從各個月份的電動汽車起火事件分布情況來看,除了十二月的數量略少之外,其余各個月份都有超過4起嚴重起火事故,其中5、六月和十一月是兩個高峰期,這表明電動汽車起火事故在全氣候條件下均易發生。


王子冬認為,電動汽車安全事故重要由動力鋰離子電池熱失控引起,但熱失控僅是結果,其原因錯綜復雜。“現在電動汽車普遍配置了熱管理系統,電池不太容易因為單一的熱濫用而觸發熱失控。”他表示,解決電池安全問題,還要從更為復雜的角度對其誘因進行全面分析。


“說起熱失控,一般都指向了電芯的熱失控。”王子冬強調,這一觀點很片面,電芯熱失控只是其中的一部分,還有其他原因引起的熱失控,比如,電池包內部的低壓線束起火,局部高電阻導致高壓線路升溫、不合理的充電和維護方法等,“在電池包內沒有相應的防護措施時,火勢難以控制,形成熱失控和蔓延,最終導致電芯起火,從而出現電芯熱失控的假象。”


“車企在理解熱失控時也經常感到困惑,因為當前電池熱失控的含義或研究都是以電芯來設計的。”王子冬坦言,以電芯先入為主的思路,不利于實際工作中開展熱失控的防護。


厘清電池包的熱失控要回歸本源,即“熱”上。王子冬進一步說明,電池包熱源來自多個方面:周圍外界物體的熱;短路或線路中高溫電阻、電芯內阻電流用途出現熱;過充或是低電壓、大電流出現電化學反應出現熱;正負極材料與氧氣出現化學反應,以及氣體膨脹都會出現熱。


在王子冬看來,引發電池自燃的根本原因是內部短路。“加工制備時混入的金屬雜質或出現的極片毛刺、電濫用、電解液浸泡不均等引發的局部析鋰,都有可能劃破電池隔膜,引發微小的內部短路。”王子冬稱,這種微小的短路并不易被察覺會在電池內部持續產熱,當熱量堆積到一定程度就會引發電池熱失控,致使電池起火。


電池能量密度與安全性成反比


王子冬進一步表示,近幾年電動汽車安全事故呈現出一定趨勢。“電動客車起火頻次和占比逐年減少,而乘用車起火頻次和占比總體上在上升,三元電池的使用是一個原因。”王子冬坦言,盲目追求高能量密度是問題的焦點,如何在高能量密度與提高安全性之間取得平衡,是當前業內亟待解決的一大難題。


各動力鋰離子電池公司在不遺余力地創新。2019年九月,寧德時代推出了全新的CTP方法,改變了原有的電芯—模組—電池包結構,電芯直接集成到電池包。據了解,北汽EU5成為首款搭載該電池的車型,該電池包體積利用率提高了15%—20%,能量密度進一步提升至200Wh/kg,大幅降低了動力鋰離子電池的制造成本。特斯拉、蜂巢能源均對CTP技術進行了布局。


比亞迪今年也重磅推出了刀片電池,設計上取消了縱梁、橫梁,以電芯作為電池包結構的支撐件,使其體積能量密度從普通電池包的251Wh/L提高至332Wh/L。


“上述新技術沒有隔離墻,這就要求電池確保萬無一失,但目前還做不到。”王子冬直言,目前還沒有真正弄清楚鋰離子電池的著火原因、是什么環節出了問題、什么場景會出問題。“為了降低成本、多帶電池,直接取消模組的做法值得商榷,有相當大的風險。”在他看來,理論上,電池能量密度與安全性成反比。動力鋰離子電池成組時最關鍵、最核心的問題是安全和使用壽命,其影響因素除了電池自身工藝性和產品質量外,充電的安全性和熱管理技術也至關重要,假如沒有完善這兩項技術,電池的安全性和長壽命循環就無法得到保證。


為應對動力鋰離子電池自燃事故的發生,很多公司都在研究BMS(電池管理系統)。“假如電池受到外部影響,目前的BMS基本能夠起到防護用途,但假如是電池內部出現問題,一般的BMS就不太管用了。”王子冬建議,BMS研究的重點應該在電芯的檢測和事故前的監控上,BMS不能是“事后諸葛亮”。


電池設計要從整體系統優化


值得注意的是,目前有相當一部分安全事故集中在充電環節。王子冬指出,正常充電過程中引發的電池起火事故正逐年上升,其中有充電設備故障引起的,也有電池過充引發的。實際上,電動汽車在停止狀態下也會自燃,這對電池安全管理提出了更高要求,不僅在運行過程中,在斷電狀態下也要對電池進行有效監管和防護。“斷電后的監護,目前還是盲點。”


王子冬進一步表示,隨著電動汽車保有量的上升和充電樁建設速度的加快,對充電方法和充電設施進行更加規范化的管理,對充電電池組進行有效的狀態檢測,十分重要。


目前,行業正致力于大功率直流快充的技術攻堅。王子冬提醒,快充對動力鋰離子電池的要求很高,與之相伴的是,如何減小電池組在快充過程中單體電池之間的差異問題。“要實現快充,就必須在其它方面做出犧牲。”王子冬解釋,快充會在鋰離子電池內部出現大量熱量,過高的溫度會破壞負極材料的粘接性能,從而導致負極活性物質的脫離,使電池可逆容量快速衰降、電池性能劣化,嚴重影響動力鋰離子電池的使用壽命。


王子冬表示,行業已經在減小電池級片的厚度、改變電池結構,以及選擇更合適快充的材料等方面進行調整。不過,這些都將新增動力鋰離子電池的生產成本,電池設計需從整體角度進行系統優化。


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