鋰離子電池為什么會(huì)發(fā)鼓脹氣呢？它有哪些特性？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-25 22:59
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中國(guó)節(jié)能與新能源汽車研發(fā)始于2001年科技部啟動(dòng)的“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”。近20年來(lái)，中國(guó)新能源汽車經(jīng)歷了4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。2006年，國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃確立了節(jié)能與新能源汽車戰(zhàn)略。隨后連續(xù)3個(gè)5年，國(guó)家科技計(jì)劃設(shè)立重大項(xiàng)目或重點(diǎn)科技專項(xiàng)，以動(dòng)力電池為核心的節(jié)能與新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破。其中，鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)從無(wú)到有、從能量密度不足100W·h/kg提升到300W·h/kg以上，2018年全球十大電池企業(yè)中國(guó)占6席，第1名和第3名分別為中國(guó)的寧德時(shí)代（CATL）和比亞迪（BYD）。CATL動(dòng)力電池核心技術(shù)配套全球主要汽車跨國(guó)公司。
2012年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃2012—2020》，確立“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，在全球率先大力度開(kāi)展電動(dòng)汽車商業(yè)化推廣，引領(lǐng)全球汽車工業(yè)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型潮流。一些國(guó)家和大部分國(guó)際汽車大公司紛紛發(fā)布全面電氣化時(shí)間表。2014年，發(fā)展新能源汽車受到中央領(lǐng)導(dǎo)核心的重視，習(xí)近平總書(shū)記親自確立了發(fā)展新能源汽車的汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，開(kāi)啟了中國(guó)新能源汽車規(guī)模產(chǎn)業(yè)化新階段。2018年，中國(guó)新能源汽車年產(chǎn)銷量超過(guò)125萬(wàn)輛，占全球一半以上。習(xí)近平總書(shū)記在2018年兩院院士大會(huì)上指出：在著力引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)向中高端邁進(jìn)方面，新能源汽車與第3代核電“華龍一號(hào)”、掘進(jìn)裝備等躋身世界前列。2018年11月，全國(guó)政協(xié)召開(kāi)“促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展”雙周座談會(huì)，建議研究制定面向2035年的新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。2019年2月1日，工信部正式啟動(dòng)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》。
經(jīng)過(guò)了自2001年以來(lái)近20年的積累，電動(dòng)汽車換道先行引領(lǐng)全球，同時(shí)可再生能源建立中國(guó)優(yōu)勢(shì)、人工智能走在世界前列。2020—2035年將是新能源電動(dòng)汽車革命、可再生能源革命和人工智能革命突飛猛進(jìn)、協(xié)同發(fā)展、三位一體、創(chuàng)造新能源智能化電動(dòng)汽車這一戰(zhàn)略性產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)中國(guó)奇跡的新時(shí)代。3大技術(shù)革命和3大中國(guó)優(yōu)勢(shì)集成在一個(gè)戰(zhàn)略產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，將爆發(fā)出巨大力量，不僅支撐汽車強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)，而且具有全方位帶動(dòng)引領(lǐng)作用，助推中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)。預(yù)計(jì)2025年左右是技術(shù)和性價(jià)比等全方位突破的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2035年是初步進(jìn)入成熟階段的重要節(jié)點(diǎn)。3個(gè)基本判斷如下：1）2035年將基本上全面實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力電氣化。各種新能源汽車技術(shù)全面成熟，新能源汽車市場(chǎng)占有率超過(guò)50%，約2/3，加上各種油電混合動(dòng)力，基本占領(lǐng)全部市場(chǎng)。新能源汽車保有量超過(guò)1億輛，預(yù)計(jì)在1億~1.5億輛之間。2）2035年將基本上全面實(shí)現(xiàn)能源低碳化?？稍偕茉醇夹g(shù)基本成熟，尤其是高效低成本光伏技術(shù)大規(guī)模推廣，新能源發(fā)電成本低于煤電，非化石能源發(fā)電占總發(fā)電比例超過(guò)50%，大約2/3左右。3）2035年將基本上全面實(shí)現(xiàn)整車智能化。駕駛智能化、制造智能化（工業(yè)4.0）、智慧能源技術(shù)基本成熟，帶有不同級(jí)別自動(dòng)駕駛功能的汽車將基本占據(jù)全部市場(chǎng)。
2012年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃2012—2020》，確立“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，在全球率先大力度開(kāi)展電動(dòng)汽車商業(yè)化推廣，引領(lǐng)全球汽車工業(yè)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型潮流。一些國(guó)家和大部分國(guó)際汽車大公司紛紛發(fā)布全面電氣化時(shí)間表。2014年，發(fā)展新能源汽車受到中央領(lǐng)導(dǎo)核心的重視，習(xí)近平總書(shū)記親自確立了發(fā)展新能源汽車的汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，開(kāi)啟了中國(guó)新能源汽車規(guī)模產(chǎn)業(yè)化新階段。2018年，中國(guó)新能源汽車年產(chǎn)銷量超過(guò)125萬(wàn)輛，占全球一半以上。習(xí)近平總書(shū)記在2018年兩院院士大會(huì)上指出：在著力引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)向中高端邁進(jìn)方面，新能源汽車與第3代核電“華龍一號(hào)”、掘進(jìn)裝備等躋身世界前列。2018年11月，全國(guó)政協(xié)召開(kāi)“促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展”雙周座談會(huì)，建議研究制定面向2035年的新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。2019年2月1日，工信部正式啟動(dòng)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》。
經(jīng)過(guò)了自2001年以來(lái)近20年的積累，電動(dòng)汽車換道先行引領(lǐng)全球，同時(shí)可再生能源建立中國(guó)優(yōu)勢(shì)、人工智能走在世界前列。2020—2035年將是新能源電動(dòng)汽車革命、可再生能源革命和人工智能革命突飛猛進(jìn)、協(xié)同發(fā)展、三位一體、創(chuàng)造新能源智能化電動(dòng)汽車這一戰(zhàn)略性產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)中國(guó)奇跡的新時(shí)代。3大技術(shù)革命和3大中國(guó)優(yōu)勢(shì)集成在一個(gè)戰(zhàn)略產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，將爆發(fā)出巨大力量，不僅支撐汽車強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)，而且具有全方位帶動(dòng)引領(lǐng)作用，助推中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)。預(yù)計(jì)2025年左右是技術(shù)和性價(jià)比等全方位突破的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2035年是初步進(jìn)入成熟階段的重要節(jié)點(diǎn)。3個(gè)基本判斷如下：1）2035年將基本上全面實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力電氣化。各種新能源汽車技術(shù)全面成熟，新能源汽車市場(chǎng)占有率超過(guò)50%，約2/3，加上各種油電混合動(dòng)力，基本占領(lǐng)全部市場(chǎng)。新能源汽車保有量超過(guò)1億輛，預(yù)計(jì)在1億~1.5億輛之間。2）2035年將基本上全面實(shí)現(xiàn)能源低碳化?？稍偕茉醇夹g(shù)基本成熟，尤其是高效低成本光伏技術(shù)大規(guī)模推廣，新能源發(fā)電成本低于煤電，非化石能源發(fā)電占總發(fā)電比例超過(guò)50%，大約2/3左右。3）2035年將基本上全面實(shí)現(xiàn)整車智能化。駕駛智能化、制造智能化（工業(yè)4.0）、智慧能源技術(shù)基本成熟，帶有不同級(jí)別自動(dòng)駕駛功能的汽車將基本占據(jù)全部市場(chǎng)。
一、鋰離子電池特性
鋰是化學(xué)周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費(fèi)者與工程師歡迎。但是，化學(xué)特性太活潑，則帶來(lái)了極高的危險(xiǎn)性。鋰金屬暴露在空氣中時(shí)，會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了奈米等級(jí)的細(xì)小儲(chǔ)存格子，可用來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來(lái)，即使是電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會(huì)因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格，使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。
鋰離子電池的這種原理，使得人們?cè)讷@得它高容量密度的同時(shí)，也達(dá)到安全的目的。鋰離子電池充電時(shí)，正極的鋰原子會(huì)喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經(jīng)由電解液游到負(fù)極去，進(jìn)入負(fù)極的儲(chǔ)存格，并獲得一個(gè)電子，還原為鋰原子。放電時(shí)，整個(gè)程序倒過(guò)來(lái)。為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池內(nèi)會(huì)再加上一種擁有眾多細(xì)孔的隔膜紙，來(lái)防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉細(xì)孔，讓鋰離子無(wú)法穿越，以自廢武功，防止危險(xiǎn)發(fā)生。
保護(hù)措施：鋰電池電芯過(guò)充到電壓高于4.2V后，會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生副作用。過(guò)充電壓愈高，危險(xiǎn)性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉，讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹(shù)枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過(guò)隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^(guò)充過(guò)程，電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時(shí)，部分材料會(huì)開(kāi)始被破壞。又由于電池會(huì)自放電，放愈久電壓會(huì)愈低，因此，放電時(shí)最好不要放到2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個(gè)理想的放電截止電壓。充放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過(guò)大時(shí)，鋰離子來(lái)不及進(jìn)入儲(chǔ)存格，會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過(guò)充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬(wàn)一電池外殼破裂，就會(huì)爆炸。因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會(huì)有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板主要就是提供這三項(xiàng)保護(hù)。但是，保護(hù)板的這三項(xiàng)保護(hù)顯然是不夠的，全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。
要確保電池系統(tǒng)的安全性，必須對(duì)電池爆炸的原因，進(jìn)行更仔細(xì)的分析。
