最近電動(dòng)車燒的有點(diǎn)猛,各個(gè)院士、專家、學(xué)者們也紛紛開始對(duì)安全性進(jìn)行了專門的探討,也得出了一些方向性的建議和指導(dǎo)。本系列將從動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等過程一一分析影響電池安全的各個(gè)因素,希望能起到拋轉(zhuǎn)引玉的一個(gè)目的,畢竟,電動(dòng)汽車的安全性是一個(gè)系統(tǒng)的工程,并不能一蹴而就。本文將從動(dòng)力電池的原材料開始,對(duì)動(dòng)力電池的安全性進(jìn)行一一的分析,希望能引起大家的共鳴。

1、正極材料

雜質(zhì)含量:雜質(zhì)含量包含金屬和非金屬,雜質(zhì)越多,自放電的可能性會(huì)越大,如果顆粒過大,隨著電池的使用,此顆粒有可能會(huì)越來越大,最終導(dǎo)致電池的短路,因而不管是正極材料廠家還是電池廠,都會(huì)采取一定的措施去控制原材料的雜質(zhì)含量,例如燒結(jié)設(shè)備的選擇,從金屬更換為非金屬,制作完成時(shí)也會(huì)有除雜的過程;在電池廠時(shí)也會(huì)有相關(guān)的檢測(cè)手段和設(shè)備,使用時(shí)也得嚴(yán)格控制環(huán)境的粉塵等級(jí)等等,都是有效的防止雜質(zhì)含量提高的手段;

磁性物質(zhì)含量:主要是金屬雜質(zhì)中具有磁性的物質(zhì),這些物質(zhì)如果含量過高,在使用過程中會(huì)形成一個(gè)個(gè)的活性位點(diǎn),不斷的沉積最終導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路,因而需要嚴(yán)格的把控,目前材料廠都會(huì)對(duì)自己所生產(chǎn)的原材料進(jìn)行除磁,最終的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也很嚴(yán)格,一般是ppb級(jí)別,檢測(cè)方法一般是ICP法,在此就不在詳述,有興趣的小伙伴們可以查閱相關(guān)的資料;

熱穩(wěn)定性:隨著三元材料中鎳含量的升高,正極材料的熱穩(wěn)定性會(huì)隨之降低,這個(gè)一般用DSC或ARC去測(cè)量,溫度過高導(dǎo)致正極材料的分解、釋氧,引發(fā)熱失控,所以對(duì)于這個(gè)指標(biāo),實(shí)際上是有兩層意義,一方面,可以通過包覆、摻雜的方法提高正極材料的熱穩(wěn)定性;另一方面,可以通過控制電池的溫度使用范圍,去讓電池達(dá)到一個(gè)合理的使用區(qū)間;

2、負(fù)極材料

和正極材料一樣,也是有雜質(zhì)含量、磁性物質(zhì)含量以及熱穩(wěn)定性的要求,具體的影響機(jī)理和正極是類似的,在此不再詳述。

3、隔膜

隔膜作為主要的關(guān)鍵原材料,其很多指標(biāo)都和安全直接相關(guān);

穿刺強(qiáng)度:穿刺強(qiáng)度的大小直接影響著電池發(fā)生內(nèi)部短路的可能性,理想狀態(tài)當(dāng)然是越大越好,但對(duì)于干法、濕法以及有涂層的隔膜來說是有區(qū)別的,隨著技術(shù)水平的提高,隔膜的厚度是越來越薄,涂覆的東西也是越來越多,主流還是陶瓷,也有各自膠、甚至有導(dǎo)電劑等等,這些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺強(qiáng)度。

抗拉強(qiáng)度:對(duì)于卷繞型電芯而言,隨著電池循環(huán)的不斷進(jìn)行,邊角處的應(yīng)力會(huì)隨著正負(fù)極的不斷膨脹而增大,所以對(duì)于隔膜的抗拉強(qiáng)度要求也是逐漸提高的,要求電池在整個(gè)使用周期內(nèi)是安全的,實(shí)際上對(duì)于隔膜的要求也是很高的。

熱收縮性:這個(gè)指標(biāo)也很關(guān)鍵,對(duì)于動(dòng)力電池的使用,不僅僅是在常溫的情況下使用,其外部環(huán)境的變化,內(nèi)部產(chǎn)熱的變化,都會(huì)對(duì)隔膜橫向和縱向的收縮帶來影響,現(xiàn)在普遍的標(biāo)準(zhǔn)為105℃30min,一些企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比這個(gè)更高,這就要求隔膜企業(yè)對(duì)于隔膜的材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、涂覆材料的種類等等進(jìn)行深入的研究,生產(chǎn)出更適應(yīng)高能量密度電池的隔膜。

閉孔溫度:這個(gè)指標(biāo)主要衡量的是隔膜在極端情況下的安全性能,也是一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo),不同的材質(zhì)是有不同的閉孔溫度,干法和濕法也是有區(qū)別的。

4、電解液

對(duì)于鋰離子電池的血液——電解液而言,其很多參數(shù)也和安全性是直接相關(guān)的,例如電解液的純度、雜質(zhì)含量等等,與正負(fù)極材料的相關(guān)參數(shù)也是類似的,現(xiàn)在主要講一下與正負(fù)極材料不同的部分。

熱穩(wěn)定性:電解液的熱穩(wěn)定性與電池的安全直接相關(guān),在電池發(fā)生熱失效的情況下,電解液的熱穩(wěn)定性不足將會(huì)直接導(dǎo)致電池的起火爆炸,因而,目前,不燃電解液、惰性添加劑的研究是電解液的一個(gè)方向。

電化學(xué)穩(wěn)定窗口:這個(gè)參數(shù)直接關(guān)系到電池的上限電壓以及安全電壓,隨著能量密度的提高,電池的上限電壓也越來越高,所以相關(guān)的研究熱點(diǎn)也在如何提高電解液的高電壓穩(wěn)定性以及和材料界面的相容性上。

5、其他材料

導(dǎo)電劑:

雜質(zhì)含量是一個(gè)很重要的指標(biāo),很多導(dǎo)電劑在制作過程中是會(huì)引入金屬離子雜質(zhì)的,所以在使用時(shí)要控制雜質(zhì)的含量;

溶劑:

NMP、純水等的雜質(zhì)含量;

粘結(jié)劑:

雜質(zhì)含量;

膠:

雜質(zhì)含量、分解溫度、耐高壓性能等等,都是與安全相關(guān)的性能;

膠帶、保護(hù)套等:

雜質(zhì)含量、耐高溫性能、耐電解液性能等等,也直接與安全相關(guān);

鋁塑膜、電池殼、蓋、極耳等:

雜質(zhì)含量,鋁塑膜的耐腐蝕性能等等,都是需要關(guān)注的地方;

小結(jié):

隨著動(dòng)力電池能量密度的提高,安全性隨之降低,本次主要從電池的原材料出發(fā),簡(jiǎn)單介紹了一下與安全相關(guān)的指標(biāo),對(duì)于動(dòng)力電池設(shè)計(jì)過程而言,其實(shí)是一個(gè)平衡的過程,怎么在安全和電性能之間做出一個(gè)平衡,需要廣大鋰電同仁們一直努力,才能做出高安全性、高能量密度的電池。

動(dòng)力電池安全性待考

知名品牌手機(jī)電池爆炸的新聞已經(jīng)過去很久，但仍然讓很多人心有余悸，最近的電動(dòng)汽車起火事故更是讓人心驚。在節(jié)能環(huán)保、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)的加持下，電動(dòng)汽車能否讓大家安心地坐在一塊大電池上飛奔?

“國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池生產(chǎn)總體技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比尚有差距。”中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心工程師王湛介紹，近年來國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池?cái)?shù)量迅猛增長(zhǎng)，新技術(shù)、新路線層出不窮，但制造商規(guī)模普遍不大，技術(shù)實(shí)力有提升空間。在現(xiàn)有體制下，市場(chǎng)門檻比較低，一些小制造商尚未建立起規(guī)范的質(zhì)量保障體系。“大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)過程中采用半自動(dòng)化和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合的方法，產(chǎn)品質(zhì)量水平不穩(wěn)定，在產(chǎn)能和安全性方面還有一些可提高的空間。”

據(jù)記者了解，磷酸鐵鋰和三元鋰電池是目前市面上使用率最高的動(dòng)力電池。數(shù)據(jù)表明，磷酸鐵鋰電池的能量密度不及三元鋰電池，但卻比三元鋰電池有更好的安全性。正極材料是決定電池能量密度與性能的關(guān)鍵因素，隔膜是保證電池性能與安全性的關(guān)鍵材料。眾所周知，電池容量越大、能量密度越高，安全的重要性越凸顯。

中科院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高強(qiáng)調(diào)，在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的發(fā)展中，安全永遠(yuǎn)是第一位的，能量等其他性能指標(biāo)其次。

“影響電池安全的，不只是電芯本身，還與電池組、動(dòng)力系統(tǒng)、整車等有關(guān)，尤其是BMS(電池管理系統(tǒng))。”同濟(jì)大學(xué)教授葉際平表示，現(xiàn)在的BMS不能像人的神經(jīng)一樣做到“冷暖自知”，所有的電池都是被動(dòng)地被BMS控制，而電池內(nèi)部活性非常大，無法在大氣暴露的情況下看內(nèi)部運(yùn)行情況，雖然材料分析技術(shù)在日本、韓國(guó)等地非常成熟，但在國(guó)內(nèi)的研究才剛剛開始。所以人們的擔(dān)憂不無道理。

電池比你想象的更安全

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，特斯拉起火是因?yàn)榇钶d的三元鋰電池在遭遇強(qiáng)烈碰撞時(shí)出現(xiàn)“熱失控”現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度快速上升。

同樣是汽車，為什么每天坐在汽油車上，大家并沒那么擔(dān)心;而在電動(dòng)汽車上，人們卻十分顧慮安全?

因?yàn)橛绊?ldquo;電”的因素要比汽油更多。“電池系統(tǒng)的失效模式有五項(xiàng)：電擊(電能非正常釋放)、燃燒、爆炸、碰撞、腐蝕。”北京普萊斯新能源電池科技有限公司副總裁張仁柏介紹道，電池系統(tǒng)安全測(cè)試至少有四大安全，第一是化學(xué)安全，包括材料阻燃、電芯安全;第二是電氣安全，包括膨脹力、傳感、電壓采集、溫度采集等;第三是機(jī)械安全，如耐腐蝕、耐振動(dòng);第四是功能安全，如碰撞過程中自動(dòng)切斷電路滅火等。

“不管是過充，還是短路，大部分問題的原因都是電芯的熱失控。未來的發(fā)展，我們還是要繼續(xù)致力于穩(wěn)定的正負(fù)極材料。”孚能科技(贛州)有限公司董事長(zhǎng)王瑀表示，目前普遍采取的安全措施包括可熔斷保險(xiǎn)絲、繼電器、箱體、電芯、電池模組、液冷系統(tǒng)、熱管理等等。

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳也強(qiáng)調(diào)安全是電動(dòng)汽車的根本。“電動(dòng)汽車安全就是人員安全，要求在人逃生之前不起火、不爆炸。”但她也表示電池的安全性是有等級(jí)的。“安全是相對(duì)的，不安全是絕對(duì)的。我們只是要把不安全的可能性無限趨近于零。”

除了技術(shù)上的改進(jìn)和嚴(yán)格的測(cè)試，針對(duì)電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池，中國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2015年5月15日聯(lián)合發(fā)布了《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》(GB/T31467.3-2015)等6項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并在2016年全面實(shí)施。2018年1月24日，工信部發(fā)布了《關(guān)于征求<電動(dòng)汽車安全要求>等3項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)意見的通知》。一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)把電池安全予以統(tǒng)一強(qiáng)制量化，設(shè)置明確的“安全底線”。有業(yè)界評(píng)論表示不同標(biāo)準(zhǔn)的相互銜接及組合覆蓋了動(dòng)力電池、模組、系統(tǒng)等各個(gè)等級(jí)部件，有利于動(dòng)力電池行業(yè)的健康發(fā)展。

電池企業(yè)、車企聯(lián)手打造安全感

業(yè)界專家普遍表示，新能源汽車安全不是某一個(gè)環(huán)節(jié)、某一個(gè)企業(yè)的問題，而是一個(gè)包括電池、電機(jī)、電控、整車制造、充電設(shè)施等全鏈條的系統(tǒng)工程。確保電池安全不只是電池企業(yè)的“本職”，整車企業(yè)更是責(zé)無旁貸。

電池企業(yè)方面，“需要確保動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、從使用到售后的安全。”寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司副董事長(zhǎng)黃世霖建議。

如果說電池企業(yè)側(cè)重于電芯性能的研發(fā)，那么整車企業(yè)則更關(guān)注電池的使用和用戶體驗(yàn)。車企和電池企業(yè)代表表示雖然雙方看起來“分工明確”，但其實(shí)買賣并不一定要“兩清”。車企在用戶使用過程中采集數(shù)據(jù)、反映用戶體驗(yàn)和問題，電池企業(yè)作為參考可以更好地提高電池的性能和安全性。浙江電咖汽車科技有限公司董事長(zhǎng)張海亮建議，整車企業(yè)需要拋開整車廠與供應(yīng)商之間的傳統(tǒng)供求關(guān)系，與供應(yīng)商成為密切配合的合作伙伴關(guān)系，共同推動(dòng)電池技術(shù)的迭代與進(jìn)化。