如何應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池的安全問(wèn)題？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-10 10:53
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電池碰撞、靜放電池短路等是主因
電動(dòng)汽車(chē)起火事故中，大部分是因電池而起，包括交通事故碰撞、短路自燃等等原因。電動(dòng)汽車(chē)的興起源于鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，在廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)之前，手機(jī)和筆記本電池燃燒爆炸的事故早已屢見(jiàn)不鮮，電池的潛在安全隱患似乎已經(jīng)成為電力汽車(chē)前進(jìn)發(fā)展的絆腳石。
電動(dòng)汽車(chē)除了動(dòng)力系統(tǒng)不同外，底盤(pán)、車(chē)身、內(nèi)外飾等都與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)型并無(wú)區(qū)別。電池是電動(dòng)汽車(chē)的主要儲(chǔ)能部件，直接影響到電動(dòng)車(chē)的性能。在電動(dòng)汽車(chē)上，一個(gè)個(gè)單個(gè)的電池芯組成電池，一定數(shù)量電池被組合到一起形成電池模組模塊。
由于車(chē)輛上裝載電池的空間有限，運(yùn)行所需的電池模組數(shù)目也較大，電池會(huì)以不同倍率放電，并以不同速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時(shí)間累積及空間影響，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。
對(duì)于具體電池起火的情況，清華大學(xué)汽車(chē)工程開(kāi)發(fā)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任宋健介紹，這一般是由于電池內(nèi)部電解液及其分解產(chǎn)物被點(diǎn)燃造成的。
宋健介紹，從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，鋰離子主要做兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)叫嵌入，一個(gè)叫脫出。不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。“內(nèi)燃汽車(chē)的油箱，僅僅是一個(gè)儲(chǔ)存燃料的地方。而電動(dòng)汽車(chē)的電池組不同，鋰電池既是一個(gè)儲(chǔ)能裝置，又是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的裝置。電池在放電過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行著氧化反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為電能，然后輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)。”
宋健指出，鋰電池中電解液是用易燃溶劑配置而成的，鋰電池的充放電過(guò)程，就是電解液中鋰離子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。鋰是一種活潑金屬，電池內(nèi)的鋰如果暴露在空氣中，就會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈反應(yīng)進(jìn)而燃燒。
為了防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，汽車(chē)電池制造商一般會(huì)用多層外殼或塑膜來(lái)封閉電池，使得鋰不會(huì)與氧氣接觸，廠(chǎng)商也會(huì)在電池包外殼包裹堅(jiān)硬保護(hù)殼。不過(guò)，在電池內(nèi)部又是另一番“脆弱”的環(huán)境。中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高指出，鋰電池的正極氧化劑和負(fù)極還原劑之間只隔一層微米級(jí)別厚度的隔離薄膜。目前電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商為追求高能量密度、高續(xù)航，會(huì)將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池造成了一定的安全隱患。
宋健表示，自己在實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試中就出現(xiàn)過(guò)隔離薄膜破裂的情況。“我們實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，模仿電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生劇烈碰撞的狀況，電池在一定的碰撞沖擊力和大氣壓強(qiáng)下，薄膜就會(huì)發(fā)生破裂，正極上的氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電池的正負(fù)極就發(fā)生短路了，局部溫度升高，就可能引燃電池的電解液。”宋健介紹道。
▲18650型鋰電池電芯內(nèi)部拆解示意圖（圖片來(lái)源：中關(guān)村在線(xiàn)）
電動(dòng)車(chē)上的電池都是通過(guò)串并聯(lián)成組工作，單個(gè)電池組（或電池包）發(fā)生熱失控之后，局部釋放的能量向周?chē)鷤鞑?，將可能引起周?chē)姵氐臒崾Э亍?shù)千顆電池芯間引發(fā)連鎖反應(yīng)，終致電池組全面起火爆炸，釋放巨大能量。所以在極端情況下，一個(gè)小故障就有可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。
魚(yú)和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然矛盾
當(dāng)前，鋰電池已與我們的生活越來(lái)越緊密，我們的手機(jī)、筆記本電腦里面都有鋰電池。鋰電池指的是電化學(xué)體系中含鋰的電池，由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜材料四部分構(gòu)成。因正極、負(fù)極材料不同，而被區(qū)分成不同種類(lèi)的電池，如常用的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等，常用的負(fù)極材料石墨、錫基、硅基、鈦基等。
在2016年Model3型汽車(chē)發(fā)布前，特斯拉電動(dòng)汽車(chē)采用松下提供的18650型號(hào)的鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時(shí)。特斯拉的MODELS型汽車(chē)上的電池單元一共運(yùn)用了約7千-9千節(jié)18650鋰電池，特斯拉的工程師首先將這些電池以磚、片逐一分配組成電池包，然后平鋪在車(chē)身底板上。
▲特斯拉modelS型汽車(chē)的電池組，每輛車(chē)16組（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）
▲特斯拉modelS型汽車(chē)的電池組，每輛車(chē)16組（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）
早在1991年，索尼公司就發(fā)布了首個(gè)商用鋰電池，同時(shí)索尼公司根據(jù)多年開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮后定下了一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號(hào)：直徑為18mm，長(zhǎng)度為65mm的圓柱形電池——也就是我們今天常說(shuō)的18650鋰電池。之后這種圓柱形的鋰電池徹底革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。小到充電寶，大到汽車(chē)，這種圓柱形電池?zé)o時(shí)不刻不在影響著我們生活的方方面面。
今天松下、三星、LG等廠(chǎng)商旗下的的電池工廠(chǎng)仍然在24小時(shí)不停地生產(chǎn)著這種有著近30年歷史的產(chǎn)品。由于18650號(hào)電池的體積太小，無(wú)法通過(guò)工藝控制和原材料角度提高能量密度，降低電池成本，因而特斯拉從Model3車(chē)型開(kāi)始，使用增大體積的21700號(hào)鎳鈷鋁三元鋰電池，也就是直徑21mm、長(zhǎng)度70mm的圓柱形電池。
三元鋰電池全稱(chēng)“三元材料電池”或“三元聚合物鋰電池”。它指的以鎳鈷錳（鋁）三元材料做正極材料，以石墨為負(fù)極材料的電池，所以稱(chēng)之為“三元”。
三元鋰電池的最大優(yōu)勢(shì)在于電池儲(chǔ)能密度高，續(xù)航能力強(qiáng)；其次電池壽命、輸出功率、成本控制都不錯(cuò)，因此特斯拉、比亞迪等國(guó)內(nèi)外汽車(chē)產(chǎn)商都紛紛選擇采用。但其安全性卻令人擔(dān)憂(yōu)，宋健指出，三元鋰電池中的三元材料在達(dá)到一定溫度時(shí)，會(huì)分解釋放出極活潑的初生態(tài)氧，即使在沒(méi)有外界氧氣供應(yīng)的情況下，電池本身就具備可燃物、助燃物和著火源的燃燒三要素。
三元鋰電池中所含的鎳鈷錳（或鋁）三種金屬元素聚合物，在電池內(nèi)部發(fā)揮了巨大的作用。鎳、鈷是元素周期表中副族中的活性金屬，主要作用是提升電池的體積能量密度，是提升續(xù)航里程的主要突破口，要想電池讓汽車(chē)跑得更遠(yuǎn)，那就勢(shì)必要增加鎳、鈷在三元材料中的比值，不過(guò)也必須承擔(dān)兩者化學(xué)性質(zhì)活潑帶來(lái)的安全隱患，魚(yú)和熊掌不可兼得。
