解析動力電池與汽車安全的重要性，你知道有哪些嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-30 12:58
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近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業(yè)的新的話題和難點。由于人們對新事物的認知有個過程，初期難免抱有懷疑和不信任的態(tài)度，所以任何一次有關電動汽車的安全事故，都會導致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深，阻礙電動汽車的發(fā)展和普及。
其實，傳統(tǒng)的燃油車由于碰撞或自燃所導致的車輛起火事故，每年在全球都會發(fā)生很多起，造成嚴重人員傷亡的也為數(shù)不少，并不會造成公眾的廣泛關注和質疑。公眾之所以對電動汽車的安全事故這么敏感，除了電動車發(fā)生事故時，通常會伴有火、聲、光、煙霧等“特殊效果”，很重要的原因是出于對高能量載體“電池”的恐懼。手機電池起火爆炸，炸傷甚至炸死人的事情尚且有之，更何況那么巨大的電動汽車動力電池呢？
電動汽車(包括混合動力汽車)與傳統(tǒng)的燃油車有很多相同之處，又有一些不同之處。其運行工況、使用環(huán)境、車身結構、內(nèi)外造型等基本沒有什么差異，最大的差別在于驅動方式和能量的來源。因為引入了電力驅動，所以就存在諸如“電擊”和“短路”之類的風險，因為有高能量載體的存在，就存在能量瞬間釋放(顯然不是我們期望的)所造成的起火和爆炸風險。因為化學電池本身的穩(wěn)定性問題，又會帶來許多超出人們“傳統(tǒng)”認知的風險。
新生事物總是脆弱的，要經(jīng)受各種懷疑，更何況是與人身安全息息相關的車輛呢？愿意拿自己的生命做賭注，去嘗試和接受不可靠不安全產(chǎn)品的人，我想畢竟是少數(shù)吧。所以，不管是國家層面的法規(guī)和標準，還是企業(yè)層面的產(chǎn)品和技術研發(fā)，都必須做到以人為本，切實的解決產(chǎn)品的風險和隱患，消除民眾的疑慮，從而推動新能源汽車的發(fā)展。我們，沒有任何理由拿不成熟不可靠的產(chǎn)品，來忽悠公眾和消費者，為企業(yè)或個人的私利服務。下文將從動力電池的各項參數(shù)詳細解析動力電池的安全要素。
一、動力電池系統(tǒng)的構成
作為電動汽車的動力來源，或動力來源之一，動力電池系統(tǒng)通常由電芯(Cell)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、冷卻系統(tǒng)(Coolingsystem)、線束(Harness)、外殼(Housing)、結構件(mechanicalparts)等相關組建構成，如下圖所示：
解析動力電池與汽車安全的重要性
可以看出，動力電池系統(tǒng)的構成還是相當復雜的，既有電芯這類化學物體，也有復雜的電子電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，還有傳統(tǒng)的各類機械部件，涉及到的專業(yè)種類非常的多，加上惡劣的運行環(huán)境，所面臨的安全風險也很廣泛。
二、動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風險
動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風險，主要與其內(nèi)部部件的特性和外部的使用和運行環(huán)境相關，構成了產(chǎn)品安全設計的主要挑戰(zhàn)。
1)電芯會不會起火爆炸？
動力電池系統(tǒng)所采用的電芯，其能量密度非常高，以磷酸鐵鋰電芯為例，能量密度可達120Wh/kg，換算成焦耳，1千克的磷酸鐵鋰電芯含有120×3600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸藥釋放的能量有多少呢？1克TNT炸藥可釋放4184焦耳的能量，換算下來，1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊含的能量相當于103克的TNT炸藥。
一輛純電動汽車，其使用的電芯通常重達幾百公斤，以100公斤電芯計算，總能量就相當于10公斤TNT炸藥。換著是誰，心里都會發(fā)毛，這東西會不會不穩(wěn)定，會不會起火，甚至爆炸?。?br />
2)會不會產(chǎn)生電擊事故？
為了提升整車的驅動效率，動力電池的直流輸出電壓通常都在100V以上，有時高達400V以上，有一定電氣常識的人都知道，直流電壓超過60V，就是危險電壓。
每年，因為電器、電線、電力設備等漏電所造成的電擊事故，都會發(fā)生很多，也經(jīng)常見諸媒體。我小的時候就被裸露的220V電線電擊過，那種滋味永生難忘。那么，人們也有理由疑慮，電動汽車里面的高壓帶電部件，會不會漏電，并進而造成電擊事故？
3)能不能經(jīng)受各種惡劣的環(huán)境？
車輛的運行和使用環(huán)境非常復雜，既要經(jīng)受高溫高濕的考驗，也有高原高寒的折磨，有平坦的鋪裝里面，也有崎嶇不平的非鋪裝路面，既有極其干燥的地區(qū)，也有需要經(jīng)常涉水的地方。
車輛在行駛過程中，要經(jīng)歷高低溫的循環(huán)考驗，要經(jīng)歷沿海的腐蝕性氣候，要經(jīng)歷暴雨洗禮和大水浸泡，要經(jīng)受各種沖擊、振動、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么，在這些客觀的環(huán)境面前，動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受考驗，不產(chǎn)生嚴重的安全風險嗎？
4)能不能經(jīng)受各種濫用？
當產(chǎn)品銷量足夠大的時候，產(chǎn)品的使用，總有超過規(guī)定極限的情況或一些意外的情況，這是不可避免的。以手機為例，當充電保護失效的時候，手機電池可能因為過充而起火或爆炸。如果手機電池被尖利的金屬穿刺，也有可能發(fā)生爆炸。
那么，電動汽車的動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受類似的濫用考驗，不造成安全事故嗎？這些濫用的情況，既有人為造成的，也有客觀環(huán)境造成的。
5)電池管理系統(tǒng)失效了怎么辦？
動力電池系統(tǒng)有一套復雜的管理和控制系統(tǒng)，時刻采集整個動力電池包的各種運行參數(shù)，進行計算、診斷、通信和開關控制。系統(tǒng)越智能化，當其發(fā)生故障時，后果也就越嚴重。
舉個例子，如果動力電池包內(nèi)部的某個電芯過熱，熱管理系統(tǒng)失效，電芯存在熱失控的風險，而這個時候的溫度傳感器壞了怎么辦？軟件程序不能正常判斷并下發(fā)切斷指令怎么辦？又或者本該執(zhí)行斷開動作的開關，不能正常的斷開怎么辦？風險是否會蔓延，并造成嚴重的安全事故？
三、動力電池安全設計的目標
動力電池系統(tǒng)的安全設計，基本上圍繞以上提到的內(nèi)部組件構成和可能發(fā)生的安全風險展開，確定合理的目標和框架，指導具體的產(chǎn)品開發(fā)工作。
解析動力電池與汽車安全的重要性
1)化學安全
電芯發(fā)生熱失控，可能會產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現(xiàn)象，但其破壞力是遠遠不能與炸藥相比的。炸藥爆炸時，能量在極短的時間內(nèi)釋放出來，所以威力巨大，而電芯的熱失控，其能量的釋放是一個漸進的過程，加上電動汽車的電池包是由很多個電芯串并聯(lián)組成的，通常僅有1個或幾個電芯發(fā)生故障，有足夠的預警和處置時間。
針對電芯而言，如何確保各種運行條件和使用情況下的化學和熱穩(wěn)定性，確保不產(chǎn)生安全風險，這是必須要考慮和解決的問題。需要考慮的情況包括：
額定范圍內(nèi)的正常工況
長距離運輸和長時間存儲
極端情況，如針對電芯的過充、過放、擠壓、穿刺、火燒等
在各種情況下，都要為電芯的安全性確定合理的設計目標，貫穿到電芯的開發(fā)過程中。
針對動力電池系統(tǒng)的其他組件而言，化學安全還涉及到電解液或冷卻液泄漏所導致的化學腐蝕(有可能造成內(nèi)部短路)、鹽霧腐蝕、阻燃、和有害氣體排放等。
綠色”的能量儲運體系已成為當前能源領域的關注熱點，鋰電作為其中重要的一個分支，其性能的提升是科研工作者關注的重點。隨著研究的不斷發(fā)展，高性能鋰電電極材料層出不窮。實際應用中，所制備材料性能無法完全發(fā)揮是制約其實現(xiàn)高能量密度、高功率密度的關鍵。石墨烯的高導電性、高導熱性、高比表面積、等諸多優(yōu)良特性，一定程度上對解決該問題有著非常重要的理論和工程價值。石墨烯在用作鋰離子電池正負極材料方面具有以下優(yōu)勢：
1） 石墨烯具有超大的比表面積（2630 m2/g），可降低電池極化，從而減少因極化造成的能量損失。
2） 石墨烯具有優(yōu)良的導電和導熱特性，即具備良好的電子傳輸通道和穩(wěn)定性。
3） 石墨烯片層的尺度在微納米量級，遠小于體相石墨的，這使得Li+在石墨烯片層之間的擴散路徑縮短；片層間距的增大也有利于Li+的擴散傳輸，有利于鋰離子電池功率性能的提高。
石墨烯電池的原理是什么？石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用
下文主要總結了石墨烯在鋰電正負極電極材料中的應用及其優(yōu)勢。
1. 石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用
石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料
石墨烯直接儲鋰的優(yōu)點：1） 高比容量：鋰離子在石墨烯中具有非化學計量比的嵌入−脫嵌，比容量可達700~2000 mAh/g；2） 高充放電速率：多層石墨烯材料的層間距離要明顯大于石墨的層間距，更有利于鋰離子的快速嵌入和脫嵌。大多研究也表明，石墨烯負極的容量有540 mA·h/g左右，但由于其表面大量的含氧基團充放電過程中分解或與Li+發(fā)生反應造成電池容量的衰減，其倍率性能也受到較大影響。
雜原子的摻雜帶來的缺陷會改變石墨烯負極材料的表面形貌，進而改善電極-電解液之間的潤濕性，縮短電極內(nèi)部電子傳遞的距離，提高Li+在電極材料中的擴散傳遞速度，從而提高電極材料的導電性和熱穩(wěn)定性。例如摻雜的N、B原子可使石墨烯的結構發(fā)生形變（圖1），在50 mA/g倍率下充放電，容量為1540 mAh/g，且摻雜N、B 后的石墨烯材料可以在較短的時間內(nèi)進行快速充放電，在快速充放電倍率為25A/g下，電池充滿時間為30s［2］。
石墨烯電池的原理是什么？石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用
但石墨烯材料直接作為電池負極仍然存在一些缺點，包括：1）制備的單層石墨烯片層極易堆積，比表面積的減少使其喪失了部分高儲鋰空間；2）首次庫倫效率低，一般低于 70%。由于大比表面積和豐富的官能團，循環(huán)過程中電解質會在石墨烯表面發(fā)生分解，形成SEI 膜；同時，碳材料表面殘余的含氧基團與鋰離子發(fā)生不可逆副反應，造成可逆容量的進一步下降；3）初期容量衰減快；4）電壓平臺及電壓滯后。因此，為解決存在的這一系列問題，將石墨烯和其他材料進行復合制作成石墨烯基復合負極材料成為現(xiàn)在鋰電池研究的熱點和鋰電負極材料發(fā)展的一個方向。
石墨烯電池的原理是什么？石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用
石墨烯與過渡金屬氧化物復合
過渡金屬氧化物是具有廣泛應用前景的鋰電池負極材料。過渡金屬氧化物有很大的比表面積，具有較高的理論儲鋰容量（大于600mAh/g）、較長的循環(huán)性能以及較好的倍率性能。然而，過渡金屬氧化物的低電導率以及Li+在嵌入和脫嵌過程中引起的體積效應導致其作為鋰離子電池負極材料性能的下降和不穩(wěn)定。有石墨烯添加的過渡金屬氧化物，兩種材料優(yōu)勢互補作為鋰離子電池的負極材料具有較理想的容量。其優(yōu)點可歸納為：1） 石墨烯分子可以有效地避免過渡金屬氧化物在充放電循環(huán)中的團聚；2） 石墨烯可提高過渡金屬氧化物材料的電導率，柔韌卷曲的片層結構可以有效地緩解充放電過程中的體積膨脹，從而維持電極材料的穩(wěn)定；3） 過渡金屬氧化物的加入，則有效地避免了石墨烯片層間的團聚，保持了石墨烯材料的高比表面積，其表面的活性位點可提供額外的儲鋰空間。 石墨烯/Co3O4復合材料是該類復合負極材料的典型代表，縮小Co3O4的尺寸或對石墨烯進行雜原子摻雜可有效提高該類材料的電化學性能。N-摻雜石墨烯材料中吡啶氮和嘰咯氮有利于Co3O4的生長，且有利于金屬氧化物納米顆粒的分散從而降低石墨烯的含氧量，避免了不可逆副反應的發(fā)生，從而使首次充放電庫倫效率提高［3］。
為避免粘結劑、集流體的使用影響材料的導電性及容量性能，有研究者將直接生長在泡沫狀石墨烯納米模板上的MnO2納米薄片制成電極，用作鋰電負極［4］。由圖3可看出，生長在石墨烯薄片上的MnO2 骨架呈花瓣狀，復合材料擁有更大的比表面積。增大了電極與電解液間有效的接觸面積的同時在充放電過程中可提供更多的活性位點，從而使其容量性能、倍率性能以及循環(huán)性能都有了大幅度的提升。在500 mA/g 的電流密度下循環(huán)300次后，容量為1200 mAh/g。
石墨烯與硅基、錫基材料復合
硅基、錫基材料擁有很高的理論比容量，但Li+在其中嵌入、脫出時，電極材料體積變化明顯，反復充放電后電極材料容易粉化脫落，從而降低電池容量。
對于SnO2來說，碳納米材料的報復可有效解決其體積膨脹的問題，且阻止材料納米顆粒團聚的同時提高了材料導電性，從而發(fā)揮出高容量的潛能。例如石墨烯包覆夾層結構SnO2材料［5］，其獨特的“三明治”結構提高了電極材料的穩(wěn)定性且能最大化利用SnO2分子的比表面積，避免了SnO2分子的團聚，緩解了體積膨脹。石墨烯夾層的引入加強了納米分子間的相互聯(lián)系，從而避免了導電添加劑和粘結劑的使用。石墨烯/SnO2球狀顆粒復合材料的首次放電容量為1247 mAh/g，較石墨烯/SnO2納米片層材料提升了41.06%。
硅基類材料的理論比容量高達4200 mAh/g，其較低的放電電壓平臺，高自然儲量，使其成為具有極好應用前景的負極材料。但其在充放電過程中體積效應嚴重，造成材料的循環(huán)穩(wěn)定性差。同錫基材料類似，石墨烯的引入可有效控制硅基材料的體積膨脹，使Si 負極材料倍率性能得到一定的改善。
石墨烯包覆納米硅（GS-Si）復合材料不僅容量高，而且具有較好的循環(huán)性能。從其掃描電鏡及透射電鏡圖中可以看到，石墨烯構成具有內(nèi)部空腔的三維立體導電網(wǎng)絡，將硅粉很好地包裹在其內(nèi)部空腔內(nèi)。該材料在200 mA/g 電流密度下進行恒流充放電測試，30次循環(huán)后容量仍能保持在1502 mAh/g，容量保持率高達98%［6］。
但石墨烯材料的化學惰性使得其與Si基材料之間的作用力很弱，在經(jīng)過數(shù)次的充放電循環(huán)后，Si-C結構會出現(xiàn)了粉化和崩塌。有研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中那些由于晶體生長、高能粒子轟擊或化學處理所產(chǎn)生的單空位缺陷、雙空位缺陷以及Stone-Wales 缺陷可以大幅度提高石墨烯/Si分子間的結合能，使復合材料的穩(wěn)定性更好?？桃獾刂圃爝@類缺陷會提高石墨烯材料與Si之間的結合力，而且空位缺陷可以提供額外的儲鋰活性位點，從而更好地提高電極材料的容量。另一種解決這一問題的方法是在Si分子、石墨烯片層間生長納米碳，這種方式使得石墨烯納米片和Si 基間搭建了穩(wěn)定的導電橋梁，這種穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡結構既減少了Li+嵌入、脫出過程中產(chǎn)生的體積效應，避免電極材料的破碎，又保持了SEI 膜的穩(wěn)定性，在充放電過程中避免了過高的容量衰減，對Si基材料容量的提高有很大幫助。
2. 石墨烯復合正極材料
石墨烯與聚陰離子型正極材料的復合
尖晶石型的LiMn2O4以及橄欖石型的LiFePO4是目前實際應用較為廣泛的鋰電池正極材料。但這類材料的電子傳導性差、Li+遷移過慢、大倍率充放電下電極與電解液間的電阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料為解決這些問題帶來了可行的途徑。使用石墨烯改性的LiFePO4和LiMn2O4，電子的傳導率和倍率性能有了明顯提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大縮短了鋰離子在正極材料中的擴散路徑，同時復合材料內(nèi)部的高空隙率也為鋰離子提供了大量的可嵌入空間，儲鋰容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆LiFePO4/石墨烯納米晶片（圖6）在17 mA/g 的電流密度下充放電循環(huán)100 次后，可逆儲鋰容量為158 mAh/g，庫倫效率高于97%。在60C下充放電后的可逆容量為83 mAh/g，該材料的倍率性能很優(yōu)異［7］。
石墨烯與釩系材料復合
釩系材料作為鋰電池正極材料成本低廉、電化學活性較高、能量密度高，受到了廣泛的關注和大量工作者的深入研究。然而，釩系材料倍率性能較差、電荷轉移電阻較高以及晶體結構容易粉化等缺陷制約其在實際應用領域的發(fā)展。
其中VO5理論比容量（440 mAh/g）遠高于現(xiàn)在商業(yè)化的鋰離子電池的正極材料，是具有很大潛力的鋰離子電池的正極材料。將VO5納米顆粒與石墨烯復合來解決釩系材料電導率低、鋰離子傳輸速率慢的的研究較多。引入石墨烯材料同時可以有效地解決其納米顆粒之間團聚問題，從而更有效地發(fā)揮VO5原有的高容量潛力。V2O5是另一種備受關注的釩系材料，與VO5原理相同，石墨烯的引入同樣可以提高其倍率性能。V2O5量子點/石墨烯納米復合材料（VQDG），如圖7所示。在電流密度為50、100、200、500 mA/g 充放電檢測，容量保持率分別為100%、96.92%、89.16%以及65.72%［8］。
3. 總結與展望
對于鋰電的負極材料而言，過渡金屬氧化物或具有前景的Si基材料進行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內(nèi)阻、充放電性能、循環(huán)性能、倍率性能等電化學性能方面已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。石墨烯基中雜原子摻雜引入了更多的表面缺陷，提高石墨烯材料的電導率，得復合材料擁有更優(yōu)良的性能。鋰電正極材料類似，引入石墨烯材料到鋰離子電池正極材料系統(tǒng)可以提高正極材料的電導率，保護正極材料避免粉化、崩塌，抑制正極材料的溶解。
石墨烯在鋰電電極材料展現(xiàn)的優(yōu)勢是該領域較為關注的一個方面，為使電極材料性能發(fā)揮其本身具有的高容量潛力該方法將是較為可行的方法。在實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)單層或幾層石墨烯材料后，石墨烯將在鋰電領域大展拳腳。就目前的研究現(xiàn)狀而言，提高鋰電的功率、容量性能一方面應該加強開發(fā)具備高容量特性的新材料體系；另一方面，可通過構建合理的材料結構，如通過對材料的尺寸、形貌、表面缺陷等的調控改變材料的電化學性能，當然電極材料本身的微觀結構以及復合材料間相互作用如何影響材料電化學性能有待更深入的研究。
