鋰電池的能量密度和安全性該怎么統(tǒng)籌？正確的運(yùn)用辦法則能充分發(fā)揮它的優(yōu)勢
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-16 15:45
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怎么正確運(yùn)用鋰離子電池?
鋰離子電池，具有重量輕、容量大、壽數(shù)長的特點(diǎn)，是手機(jī)電池的最佳選擇。正確的運(yùn)用辦法則更能充分發(fā)揮它的優(yōu)勢和運(yùn)用壽數(shù)。
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(1)為減輕運(yùn)送保管過程中的自放電現(xiàn)象，剛出廠的鋰離子電池，只給充約50%的容量，拆開后即可運(yùn)用;等第一次完全用完后再完全充滿后運(yùn)用;第2次也要完全用完后再充滿電，如此連續(xù)三次循環(huán)今后，電池則易達(dá)到最佳運(yùn)用狀況。
(2)鋰離子電池必須選用能給鋰離子電池充電的專用充電器(因其充電電流較大)，否則達(dá)不到充電作用，使容量減少。鋰離子電池的專用充電器，可給鋰離子電池實(shí)施慢充和快充。
(3)鋰離子電池沒有回憶效應(yīng)，每次充電前不需強(qiáng)制放電，只要讓電池容量用完后即可隨時(shí)充電，既節(jié)約電能又不浪費(fèi)電池的一個(gè)循環(huán)壽數(shù)。
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(4)鋰離子電池不能暴曬于60℃以上的高溫之下，也不要接近火源，更不要隨意拆開。假如被雨淋或不小心進(jìn)了水，可用干布擦干，放于通風(fēng)處自行單調(diào)或用40℃左右的熱風(fēng)吹干。
(5)鋰離子電池的備用和通話時(shí)刻與手機(jī)類型、發(fā)射站位置及距離、充電辦法、電池充電后放置時(shí)刻、電池自身的容量和質(zhì)量、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。
近來，特斯拉、蔚來、比亞迪等品牌電動(dòng)轎車連續(xù)發(fā)生起火事端。鋰電池的能量密度和安全性該怎么統(tǒng)籌？全固態(tài)鋰電池還有多遠(yuǎn)？
1、鋰電池電解液是易燃溶劑，其間的鋰還有正極資猜中的鎳、鈷是生動(dòng)金屬，暴露在空氣中易燃燒。
2、圓柱形鋰電池正極和負(fù)極間只隔一層微米等級(jí)厚度的隔絕薄膜，遭受沖撞時(shí)簡略決裂引發(fā)短路。
3、鋰電池的能量密度和安全性存在天然敵對，由于能量密度進(jìn)步意味著選用更高活性的正負(fù)極材料，或下降隔絕膜的厚度，這兩項(xiàng)做法都將大幅增加電池的危險(xiǎn)性。
4、全固態(tài)鋰電池是未來的展開方向，但還需求較長時(shí)間的科研攻關(guān)。
近來，特斯拉、蔚來、比亞迪等品牌電動(dòng)轎車在我國各地連續(xù)發(fā)生起火工作。
▲上海特斯拉自燃，火光瞬間照亮整個(gè)車庫
▲陜西西安：蔚來ES8修理時(shí)起火 事端原因正在查詢
▲武漢發(fā)生一同比亞迪e5起火工作，官方稱電池?zé)o損壞
雖然特斯拉和蔚來轎車方面紛紛發(fā)布公告稱“車輛起火原因尚未承認(rèn)，會(huì)在后續(xù)及時(shí)對外公布查詢成果”，但這很顯然無法完全停息雙方在品牌層面遭受的負(fù)面影響，由此引發(fā)的焦慮開端在業(yè)界和消費(fèi)者中延伸。
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此次上海發(fā)生自燃的特斯拉類型為Model S P85，現(xiàn)在現(xiàn)已停產(chǎn)。這現(xiàn)已不是特斯拉轎車第一次發(fā)生自燃了，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至現(xiàn)在，在全球范圍內(nèi)，特斯拉的電動(dòng)轎車在行駛、磕碰和充電導(dǎo)致的燃燒、自燃及爆炸事端，現(xiàn)已發(fā)生超過50起，甚至被稱為“燒車的冠軍”。
再三發(fā)生的電動(dòng)轎車起火事端，將電動(dòng)轎車和動(dòng)力電池的安全問題再一次面向了輿論的風(fēng)口浪尖，為快速展開中的新能源轎車市場蒙上了一層暗影。為何電力轎車的電池屢屢“過火”？我們又該怎么應(yīng)對電動(dòng)轎車電池的安全問題？
電池磕碰、靜放電池短路等是主因
電動(dòng)轎車起火事端中，大部分是因電池而起，包括交通事端磕碰、短路自燃等等原因。電動(dòng)轎車的鼓起源于鋰電池技術(shù)的快速展開，在廣泛應(yīng)用于電動(dòng)轎車之前，手機(jī)和筆記本電池燃燒爆炸的事端早已層出不窮，電池的潛在安全隱患如同現(xiàn)已成為電力轎車行進(jìn)展開的攔路虎。
電動(dòng)轎車除了動(dòng)力系統(tǒng)不同外，底盤、車身、表里飾等都與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型并無區(qū)別。電池是電動(dòng)轎車的首要儲(chǔ)能部件，直接影響到電動(dòng)車的功用。在電動(dòng)轎車上，一個(gè)個(gè)單個(gè)的電池芯組成電池，必定數(shù)量電池被組合到一同構(gòu)成電池模組模塊。
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由于車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，并以不同速率發(fā)生大量熱量，再加上時(shí)間累積及空間影響，然后導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度狀況復(fù)雜多變。
關(guān)于詳細(xì)電池起火的狀況，清華大學(xué)轎車工程開發(fā)研討院常務(wù)副院長、轎車安全與節(jié)能國家重點(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)燃構(gòu)成的。
宋健介紹，從學(xué)術(shù)上來說，鋰離子首要做兩個(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別的一極。“內(nèi)燃轎車的油箱，僅僅是一個(gè)貯存燃料的地方。而電動(dòng)轎車的電池組不同，鋰電池既是一個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備，又是一個(gè)化學(xué)反響的設(shè)備。電池在放電進(jìn)程中一同進(jìn)行著氧化反響，化學(xué)能改變成為電能，然后輸出來驅(qū)動(dòng)轎車電機(jī)。”
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宋健指出，鋰電池中電解液是用易燃溶劑配備而成的，鋰電池的充放電進(jìn)程，就是電解液中鋰離子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)程。鋰是一種生動(dòng)金屬，電池內(nèi)的鋰如果暴露在空氣中，就會(huì)與氧氣發(fā)生劇烈反響從而燃燒。
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為了避免空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，轎車電池制作商一般會(huì)用多層外殼或塑膜來封閉電池，使得鋰不會(huì)與氧氣觸摸，廠商也會(huì)在電池包外殼包裹堅(jiān)固保護(hù)殼。不過，在電池內(nèi)部又是另一番“軟弱”的環(huán)境。我國科學(xué)院院士歐陽明高指出，鋰電池的正極氧化劑和負(fù)極還原劑之間只隔一層微米等級(jí)厚度的隔絕薄膜?，F(xiàn)在電動(dòng)轎車廠商為尋求高能量密度、高續(xù)航，會(huì)將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池構(gòu)成了必定的安全隱患。
宋健表示，自己在實(shí)驗(yàn)室做測驗(yàn)中就呈現(xiàn)過隔絕薄膜決裂的狀況。“我們實(shí)驗(yàn)室的研討成果，仿照電動(dòng)轎車發(fā)生劇烈磕碰的狀況，電池在必定的磕碰沖擊力和大氣壓強(qiáng)下，薄膜就會(huì)發(fā)生決裂，正極上的氧化劑就簡略與電解液發(fā)生化學(xué)反響，電池的正負(fù)極就發(fā)生短路了，部分溫度升高，就或許點(diǎn)燃電池的電解液。”宋健介紹道。
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?▲18650型鋰電池電芯內(nèi)部拆解示意圖（圖片來歷：中關(guān)村在線）
電動(dòng)車上的電池都是通過串并聯(lián)成組作業(yè)，單個(gè)電池組（或電池包）發(fā)生熱失控之后，部分開釋的能量向周圍傳播，將或許引起周圍電池的熱失控。數(shù)千顆電池芯間引發(fā)連鎖反響，終致電池組全面起火爆炸，開釋巨大能量。所以在極端狀況下，一個(gè)小毛病就有或許會(huì)構(gòu)成災(zāi)難性的成果。
魚和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然敵對
當(dāng)時(shí)，鋰電池已與我們的日子越來越緊密，我們的手機(jī)、筆記本電腦里邊都有鋰電池。鋰電池指的是電化學(xué)系統(tǒng)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Model 3型轎車發(fā)布前，特斯拉電動(dòng)轎車選用松下提供的18650類型的鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時(shí)。特斯拉的MODEL S型轎車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、片逐個(gè)分配組成電池包，然后平鋪在車身底板上。
?▲特斯拉model S型轎車的電池組，每輛車16組（圖片來歷網(wǎng)絡(luò)）
早在1991年，索尼公司就發(fā)布了首個(gè)商用鋰電池，一同索尼公司根據(jù)多年開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，歸納考慮后定下了一種標(biāo)準(zhǔn)電池類型：直徑為18mm，長度為65mm的圓柱形電池——也就是我們今日常說的18650鋰電池。之后這種圓柱形的鋰電池完全改造了消費(fèi)電子產(chǎn)品的容顏。小到充電寶，大到轎車，這種圓柱形電池?zé)o時(shí)不刻不在影響著我們?nèi)兆拥姆椒矫婷妗?/div>
今日松下、三星、LG等廠商旗下的的電池工廠仍然在24小時(shí)不停地生產(chǎn)著這種有著近30年前史的產(chǎn)品。由于18650號(hào)電池的體積太小，無法通過工藝控制和原材料視點(diǎn)進(jìn)步能量密度，下降電池本錢，因而特斯拉從Model 3車型開端，運(yùn)用增大體積的21700號(hào)鎳鈷鋁三元鋰電池，也就是直徑21mm、長度70mm的圓柱形電池。
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三元鋰電池全稱“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，所以稱之為“三元”。
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三元鋰電池的最大優(yōu)勢在于電池儲(chǔ)能密度高，續(xù)航能力強(qiáng)；其次電池壽命、輸出功率、本錢控制都不錯(cuò)，因而特斯拉、比亞迪等國表里轎車產(chǎn)商都紛紛選擇選用。但其安全性卻令人擔(dān)憂，宋健指出，三元鋰電池中的三元材料在抵達(dá)必定溫度時(shí)，會(huì)分解開釋出極生動(dòng)的初生態(tài)氧，即便在沒有外界氧氣供應(yīng)的狀況下，電池本身就具有可燃物、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)揮了巨大的效果。鎳、鈷是元素周期表中副族中的活性金屬，首要效果是進(jìn)步電池的體積能量密度，是進(jìn)步續(xù)航路程的首要突破口，要想電池讓轎車跑得更遠(yuǎn)，那就勢必要增加鎳、鈷在三元資猜中的比值，不過也有必要承擔(dān)兩者化學(xué)性質(zhì)生動(dòng)帶來的安全隱患，魚和熊掌不可兼得。
“三元鋰電池中運(yùn)用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性就越差。”我國工程院院士楊裕生曾發(fā)表文章，旗幟鮮明地?cái)硨Υ罅φ归_三元鋰電池。楊裕生以為，國家新能源轎車的補(bǔ)助機(jī)制鼓舞電動(dòng)轎車搭載高能量密度電池，電池廠商為追逐利益，在缺少科學(xué)性的狀況下，才大力展開三元鋰電池。
優(yōu)勢滿滿的全固態(tài)鋰電池展開緩慢
電池被安裝在空間有限的轎車?yán)?，其能量密度決議了電動(dòng)車的行駛間隔，現(xiàn)在電動(dòng)車用的鋰電池能量密度約為 120~150瓦時(shí)/公斤，根據(jù)《我國制作2025》動(dòng)力電池展開規(guī)劃：到2020年，國產(chǎn)電動(dòng)轎車的電池能量密度將抵達(dá)300瓦時(shí)/公斤，2025年抵達(dá)400瓦時(shí)/公斤，到2030年抵達(dá)500瓦時(shí)/公斤。
隨著電芯和電池系統(tǒng)能量密度的進(jìn)一步增加，保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全的需求也會(huì)愈加激烈，挑戰(zhàn)和難度也將隨之進(jìn)步。十三屆全國政協(xié)副主席、我國科協(xié)主席萬鋼也曾揭露表示，在展開電池能量密度的一同，要將動(dòng)力電池系統(tǒng)電-熱安全作為電動(dòng)轎車展開最要害的指標(biāo)，從動(dòng)力電池的單體模塊、電池包、電-熱處理以及結(jié)構(gòu)布置等方面歸納考慮，重視材料的穩(wěn)定性、充放電機(jī)制、熱失控防護(hù)和電-熱處理系統(tǒng)。
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?▲特斯拉轎車的動(dòng)力電池包選用的液冷結(jié)構(gòu)散熱方法（圖片來歷網(wǎng)絡(luò)）
電池能量密度的躍進(jìn)關(guān)于電池來說本身就是一場“賭注”，由于能量密度進(jìn)步意味著需求選用更高活性的正負(fù)極材料，或削減隔絕膜的厚度，兩項(xiàng)做法都將大幅增加電池的危險(xiǎn)性。
怎么處理能量密度和安全性的敵對？我國科學(xué)院院士歐陽明高接受媒體采訪時(shí)候表示，全固態(tài)鋰電池是未來電池展開的方向。他介紹，現(xiàn)在業(yè)界正在研討一種全固態(tài)電池，不會(huì)發(fā)生刺穿隔膜的問題。
歐陽明高院士強(qiáng)調(diào)，這個(gè)詞的每一個(gè)字都不能少、不能變，所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在作業(yè)溫度區(qū)間內(nèi)所運(yùn)用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)成分的鋰電池。
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全固態(tài)鋰電池由于選用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，代替了易燃的常規(guī)有機(jī)溶劑電解液，電池燃燒問題能夠得到有效處理。搭載全固態(tài)鋰電池的轎車，自燃概率會(huì)大大下降，能夠說是下一代新能源轎車動(dòng)力電池的抱負(fù)目標(biāo)。
不過歐陽明高院士坦承，真實(shí)意義上的全固態(tài)鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然是不成熟的。“全固態(tài)鋰電池的固態(tài)界面觸摸性是重要的技術(shù)難點(diǎn)，也就是電解質(zhì)與電極之間構(gòu)成高電阻界面問題，還存在技術(shù)不確定性，未來還需求較長時(shí)間的科研攻關(guān)。”
據(jù)悉，包括韓國三星、日本豐田在內(nèi)的眾多電池和轎車廠商，都加大了固態(tài)電池研制投入，現(xiàn)在已有部分電池進(jìn)入測驗(yàn)階段。宋健介紹，雖然前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，展開固態(tài)電池的路途還需求進(jìn)一步根究。“現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)已有全固態(tài)鋰電池的樣品呈現(xiàn)，不過價(jià)格昂揚(yáng)，配備在轎車上，轎車的起售價(jià)動(dòng)輒會(huì)上百萬人民幣。”
此外，就儲(chǔ)能功用來說，全固態(tài)鋰電池并非白璧無瑕，其最大的一個(gè)缺陷就是高倍率放電功用極差，原因就是鋰離子的固態(tài)分散速度比在溶液里分散慢得多。不過一旦前面這些問題能夠有效處理，必將在未來掀起一場新的電池改造。
