為什么鋰電池成為新能源的桎梏
來源：寶鄂實業(yè)
2020-09-12 19:14
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眾所周知，新能源汽車的的優(yōu)勢就在于相較于以汽油為燃料的車更加低碳環(huán)保。它采用的是非常規(guī)的車用燃料作為動力來源，如鋰電池、氫燃料等。鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，除了新能源汽車之外，手機、筆記本電腦、平板電腦、移動電源、電動自行車、電動工具等等。
目前，無論是全球知名的特斯拉亦或者國內(nèi)知名的小鵬汽車、蔚來汽車以及比亞迪等主流的新能源汽車使用的都是鋰電池。這些新能源汽車廠商使用的鋰電池按照正極材料分類又可以分為：磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池（包括 NCA 和 NCM）、錳酸鋰池、鈷酸鋰池、鎳氫電池、鈦酸鋰池等。其中，特斯拉、北汽 E200／150、廣汽傳祺 GA5EV、北京奔馳、華晨寶馬 5 系、蔚來汽車等使用的都是三元鋰電池。而曾經(jīng)使用磷酸鐵鋰電池的比亞迪也在后來轉(zhuǎn)向了三元鋰電池陣營。
但是無論是三元鋰電池亦或者磷酸鐵鋰電池，都躲不開易燃易爆的隱患。
鋰是世界上最活潑的金屬，由于其化學(xué)特性太活潑，當(dāng)鋰金屬暴露在空氣中時會與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)，因此容易產(chǎn)生爆炸、燃燒等現(xiàn)象。此外，鋰電池充放電過程中內(nèi)部也會產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，爆炸和自燃主要都是因為鋰電池發(fā)熱后所累積起來、來不及擴散和釋放所導(dǎo)致的。簡單來說就是鋰電池在充放電過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高以及單體電池之間的溫度不均勻，從而造成電池的新能不穩(wěn)定。
今年 8 月，蘋果公司位于荷蘭阿姆斯特丹的零售商店就因 iPad 電池爆炸并向空氣中釋放潛在的有害物質(zhì)，零售店不得不緊急疏散店內(nèi)的消費者暫時關(guān)門。而此前，三星、小米、華為等也都曾被爆出過手機自燃事件。多次事故顯示，當(dāng)人們充電不當(dāng)、或者環(huán)境溫度過高等情況下，極容易引發(fā)鋰電池自燃、爆炸，這也成為使用廠家的一塊心病。
為什么一定要鋰電池
電池選擇上的局限，很大程度取決于電池自身的發(fā)展與商用條件。世界上第一個電池 ＂ 伏特電堆 ＂ 是用鋅板和錫板制成的，之后相繼出現(xiàn)了鋅、銅電池，濕電池、干電池，因不會遺漏、便于攜帶，干電池在之后很長一段時間內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，爾后被愛迪生發(fā)明的可充電鎳鐵電池所取代。最終采用鈷酸鋰作為正極材料，金屬鋰作為負極材料而制成的鋰離子電池成為了市場最后的選擇。
相較于其他電池，鋰電池有著明顯的優(yōu)勢。它的使用壽命很長，在六年以上，并且電池體積小、能量密度高，可達到 460－600Wh／kg，是鉛酸電池的 6 到 7 倍。目前，特斯拉宣布與松下聯(lián)合研發(fā)的 21700 電池系統(tǒng)能量密度就達 300Wh／kg。與此同時，鋁電池具備高功率承受力，新能源汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可達到 15－30C 充放電的能力，這便于汽車高強度的啟動和加速。鋰電池具有高低溫適應(yīng)性很強、綠色環(huán)保、生產(chǎn)過程中基本不消耗水等特性。
而電池的商用方面，因為受到體積重量、能量的儲存及釋放能力、保存時間、使用壽命、成本、使用便捷度、量產(chǎn)等多項條件限制，能夠進行大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的電池不過寥寥。綜合這兩方面原因，鋰電池成為了最佳解決方案。
雖然鋰電池本身的屬性決定了其 ＂ 易燃易爆炸 ＂ 的宿命，但并不是完全無法降低風(fēng)險和安全性的。無論手機企業(yè)亦或是新能源汽車公司，通過合理的電池管理系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)，電池就能夠保證安全，也不會發(fā)生爆炸或者自燃現(xiàn)象。
如何解決？
電池在工作中會釋放熱量，來不及釋放就會自燃、爆炸。因此，可以通過電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進行管理。新能源汽車配備的熱管理系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)讓電池在溫度過高的時候?qū)ζ溥M行冷卻，而溫度較低的時候則進行預(yù)熱，由此更好地發(fā)揮電池的性能，特斯拉獨有的電池管理系統(tǒng)就是典型的代表。
特斯拉為其生產(chǎn)的汽車配了數(shù)千塊鈷酸鋰電池以提供動能，它應(yīng)用的 18650 電池壽命能夠循環(huán)充電 1000 多次，但由于電池單位密度容量大，因此自燃、起火的風(fēng)險也就更高。而特斯拉就是通過其電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)對電池各種物理參數(shù)實時監(jiān)測、評估電池使用狀態(tài)、并進行在線診斷和預(yù)警，同時也能夠進行放電與預(yù)充控制、電池的均衡管理和熱管理等。以其電池?zé)峁芾頌槔?，通過液體冷卻，即 50％ 的水 ＋50％ 的乙二醇，來控制電池的溫度升高。
事實上制造商們也早已經(jīng)意識到鋰電池的局限性，燃料電池、石墨烯電池、鋰空氣電池等都是研發(fā)的方向。而燃料電池中氫燃料電池最受關(guān)注，氫能源汽車作為新能源汽車的一個分支，也一直在做商用探索。
2008 年，我國自主研制的基于大眾帕薩特車型，通過改制和集成的燃料電池車在同濟大學(xué)新能源汽車工程中心舉行赴京發(fā)車儀式，并且在北京奧運會期間投入運營。如今，十年已過，在今年上海召開的 CES Asia 中，現(xiàn)代汽車就展出了新一代氫燃料電池車 NEXO。該款車型的燃料電池系統(tǒng)效率達到 60％，已經(jīng)是世界前沿的水平。
與鋰電池相比，燃料電池的安全性更好，由于氫氣爆炸要求濃度極高，因此在爆炸前往往已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。并且，氫氣的密度低于空氣的密度，即便起火也是在氣源的上方，而不會像鋰電池或者汽油，燃料在車艙底部，整個車會迅速報廢。此外，燃料電池還擁有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、噪音低、可靠性高、易于建設(shè)電池電站等優(yōu)點。
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