颶風來了，特斯拉為用戶升級續(xù)航，它的鋰電池包有什么特別
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 12:58
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一則特斯拉微博的消息，如上圖。大意是，為應對颶風山竹，特斯拉為我國華南地區(qū)客戶，免費升級所裝備60kwh電池組特斯車型，以便延長更遠的行駛里程。
感嘆特斯拉的應急反應，也在次凸顯了特斯拉的存在感！
特斯拉電動車這些年，一直幾乎是新能源電動車制造業(yè)界的標桿。它的牛氣，筆者以為，更主要在于有一顆強勁的動力源——鋰電池動力包!
大家都知道，特斯拉的鋰電池包，在 MODEL 3之前 主要應用日本松下的18650電芯。日本松下是世界上最先將鋰電池商用化的企業(yè)。它的18650電池正極材料采用“NCA”（鎳鈷鋁鋰氧化物）路線。國產(chǎn)鋰離子三元電池電極材料主流還是采用“NCM”（鎳鈷錳鋰氧化物）路線。
松下18650 NAC 電芯，更好的的能量密度和質(zhì)量制造能力，也許正是特斯拉當初選中合作的原因吧？！
雖然松下18650 采用NAC電芯，能夠有提高能量密度潛力。但是三元材料高鎳參雜條件下NCA的比熱大，熱穩(wěn)定性，容易產(chǎn)氣鼓包（正是這樣，做成圓形）。一直是懸在18650 NCA頭上的煩惱、詬病。
電芯抓取
所謂：“有問題出現(xiàn)，就有對策辦法。”特斯拉優(yōu)良、強大的”PACK+BMS“電池包架構(gòu)、電池管理系統(tǒng)。，正好應對三元鋰電NCA這種有所長有所短的特點。
對此，筆者通過查閱各種公開資料，綜合得到特斯拉鋰電池包以下三個部分的展示：
1、金屬梁框架隔開單體第一個電芯。（框架結(jié)構(gòu)，固定每一個單體電芯。）
電池包結(jié)構(gòu)
2、熱管理系統(tǒng)。（就目前的分析看，沒有電泵循環(huán)；冷卻液在閉合管路里封閉成一體，筆者只能猜測：是為了讓整個電池包各單體電芯均勻受熱？對此大家展開討論。）
熱循環(huán)管量系統(tǒng)
3、單體電芯自熔斷保護 （當某個電芯出現(xiàn)電壓過載，自動切斷個體連線，不至于影響整個電池組。）
單體電芯自熔斷設計
特斯拉的電池組，據(jù)查閱資料，目前分別有40、60、70、85、90、100七個系列。這次應對颶風山竹，遠程升級60版到75度。說明，特斯拉在鋰電池包電芯設計上是有冗余的。這樣做或許會增加整車成本，但為了更好的保障，使用NAC材料電芯安全性，也是無奈和必要之舉吧。
動力鋰電池，幾乎全部的設計都打有安全的烙印，外殼的防水設計，電池包的強度設計，熱管理系統(tǒng)，BMS的溫度監(jiān)測、煙霧報警、防過充過放程序等等。安全是動力電池包的重中之重。
如果能夠釜底抽薪，動力鋰電池自身足夠安全，則周邊工程的設計將會變得無比自由，成本也會應聲而下。那么什么樣的鋰電池是安全的鋰電池？
1 動力鋰電池的基本組成
以圓柱形電池為例，如上圖所示，鋰電池的主要結(jié)構(gòu)包括殼體，正極，負極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護裝置以及一些導電密封輔助結(jié)構(gòu)。
殼體，是整只電芯的保護層，對電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護性作用。軟包電池，沒有高強度的殼體，其在小規(guī)模成組以后，也要設計具備一定強度的殼。
直接參與電池電化學過程的是正極、負極和電解液，可以說它們是事故的源頭，也是真正解決安全問題的病根所在。
2 正極、負極和電解液的安全性問題
鋰電池的安全事故，無論是電芯老化或者自身質(zhì)量問題帶來的自內(nèi)而外的過熱，進而導致熱失控，還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控，事故發(fā)生總要經(jīng)歷電芯材料劇烈反應的過程，如果能夠阻斷這個點，則電池可以失效，但永遠不會燃爆。
2.1 電解液
電解液存在兩個方向的問題，自身容易燃燒，又具有與正負極材料發(fā)生反應的傾向。
初中化學告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質(zhì)），助燃物（氧氣）和燃點（達到可燃物的燃燒溫度）。三個條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會發(fā)生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結(jié)者。
目前常見的電解液都是有機溶劑質(zhì)地，是極易燃燒的材質(zhì)。而電解液與正極發(fā)生副反應的產(chǎn)物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達到較高溫度，連鎖反應都會給電解液燃燒提供條件。
問題在于，電解液傳輸電荷的能力，對電池的電壓有直接的影響。當前人們對于高電壓，高能量密度的追求，只有有機電解液才能滿足，因而暫時沒有找到更適合的材質(zhì)作為替代。
2.2 正極材料
正極材料的安全性問題主要存在于兩個方面。一個是充電狀態(tài)下，材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一個是電池高溫下，正極材料與電解液的反應腐蝕問題。
正極材料的穩(wěn)定性問題，主要出現(xiàn)在過大電流充電過程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會沖垮材料晶格結(jié)構(gòu)，毀壞的部分材料反過來堵住離子通路，增加了離子嵌入難度。這個過程中會有熱量積累，是引發(fā)鋰電池事故的一種常見原因。
正極被電解液腐蝕，放出少量氣體和熱量，這是電池使用過程中老化的一個重要原因。但正極與電解液的劇烈反應，一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段，一般超過200℃，是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應不但放出大量的熱，還會有氣體產(chǎn)生，使得事故的危害可能升級。
2.3 負極材料
負極材料的安全性，主要圍繞其熱穩(wěn)定性進行觀察，其穩(wěn)定程度與下面三個因素有關(guān)：電解液中電解質(zhì)的類型，石墨負極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負極使用的粘結(jié)劑的種類。
電解質(zhì)類型，石墨負極在首次充電化成中，形成保護膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進一步劇烈反應。但電解液中的LiPF6對SEI膜的分解有促進作用，使得鋰電池在大約60℃的儲存過程中，就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質(zhì)的成分對負極穩(wěn)定性有直接影響。
嵌鋰碳，有研究表明，負極中嵌鋰碳的含量高，會帶來負極與電解液更激烈的反應。嵌鋰碳是在充電過程中形成，電池電量越高，其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響，只能在電量高的階段加強其他安全措施，卻無法避免高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。
負極粘結(jié)劑的種類，粘結(jié)劑在反應中是否增加系統(tǒng)反應放熱并沒有定論。不同類型的粘結(jié)劑，參與反應的形式不同，有的成為嵌鋰碳反應的助劑，有的自身參與反應后失效，加速負極結(jié)構(gòu)走向崩潰。
以上三個方面的影響，發(fā)生的溫度由低到高，SEI膜的溶解，作為破壞式連鎖反應的開端，阻止它發(fā)生意義重大。
3 安全性能的改進方向
3.1電解液
阻燃劑
在原來電解液的基礎上加入阻燃劑，具備可行性，只是特別適當?shù)淖枞紕┻€沒有被發(fā)現(xiàn)。佛化物阻燃效果較好，但成本高；烷基磷酸酯，加入電解液后，降低了導電率，阻燃效果也一般，因而不能算是好的選擇；氮化物阻燃效果不明顯，且具毒性，基本不可行。阻燃劑是比較現(xiàn)實的技術(shù)路線，只是還需要時間和人力的投入。
固體電解質(zhì)
聚合物電解質(zhì)，是真正的固態(tài)電解質(zhì)和電解液之間的中間形態(tài)，是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和電解液的并存狀態(tài)。但聚合物電解質(zhì)在安全性上，比之電解液已經(jīng)有很大提高，在漏液和燃燒性方面都有進步。
在新聞中看到，某公司發(fā)明了不燃燒電解液。如果果然如宣傳的那樣，將是革命性的成果。
選擇恰當?shù)碾娊赓|(zhì)
通過對電解鹽類型的選擇，減少SEI膜溶解的幾率。
3.2 正負極材料
從改善材料熱穩(wěn)定性的角度出發(fā)，選擇分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的材質(zhì)。負極，對于碳材料來說，球狀結(jié)構(gòu)比層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；跨越種類，尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰又比全部石墨材質(zhì)的負極穩(wěn)定性好。2.3中所述的各種安全問題，鈦酸鋰都不存在，是當前負極材料中最安全的一種。
正極材料的可選擇范圍并不大，鈷酸鋰，由于穩(wěn)定性差，使用的范圍已經(jīng)越來越小。動力電池主流的三種正極材料，磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料。從安全性角度考慮，磷酸鐵鋰的安全性最好，錳酸鋰次之，三元相對較差。
4 安全輔助措施
在無法完全解決正負極材料和電解液的安全隱患的時候，人們退而求其次，采用一些輔助手段，主要發(fā)揮阻斷、報警、隔離的作用。這些措施具體包括以下幾種。
安全閥
安全閥的設計目的，是當電芯內(nèi)部壓力增大到一定值時，期望它開啟，避免電芯爆炸，產(chǎn)生惡劣的影響。但安全閥開啟后，往往伴隨著電解液的泄漏，如果電解液可燃，則是扒了東墻補西墻的效果。在電芯真正發(fā)生熱失控后出現(xiàn)燃燒的階段，安全閥還可能成為小小的火焰噴射器，使得燃燒物質(zhì)在更大范圍內(nèi)傳播。因此，安全閥的設計需要全面周到的考慮。
溫度敏感電阻
在電信回路或者模組之間的連接導體上增加正溫度系數(shù)的溫度敏感電阻。正常運行時，其電阻近似于一段導線，當大電流發(fā)生時，受電流熱效應的影響，其溫度上升到一定值，內(nèi)阻突然上升，達到基本阻斷短路電流的目的。這樣的裝置往往只能在外部短路的過程中發(fā)揮效力，對于內(nèi)短路引起的熱失控，作用較小。
熔斷器
類似于前面所述溫度敏感電阻的作用，只是熔斷器是在遇到大電流后主動切斷回路，是一種不可恢復的安全手段。熔斷器的選取值需要預留比較大的余量，避免誤動作帶來的影響。
隔熱墻設計
出于隔離熱失控電池的考慮，將整個電池包分割成若干區(qū)域。某一個區(qū)域發(fā)生熱失控時，避免其他區(qū)域受到牽連。是一種被動減小人員傷亡的手段。
煙霧報警器和滅火器
目前已經(jīng)在客車上強制應用，煙霧報警器檢測到火警信息，電池管理系統(tǒng)立即啟動滅火器噴射滅火劑進行滅火。這種方式的效力，往往取決于檢測到危險發(fā)生的傳感器的敏感性和準確性。
總之，選擇使用安全性好的電芯，是動力電池包設計，提高安全性的起點。電芯的安全性，除了根據(jù)國家標準GB/T 31485-2014和GB/T 31467.3的檢測結(jié)果進行判斷以外，了解電芯安全性的由來也提高設計者的掌控感和信心。
