鋰電池的安全性歸根到底一句話，就是來自于電池的熱失控。鋰電池除了正常的充放電反應(yīng)外，還存在潛在的副反應(yīng)。當(dāng)電池溫度過高或者充電電壓過高的時候，這些副反應(yīng)就會被引發(fā)，并釋放大量熱量。如果熱量得不到及時疏散，還會引起電池溫度和壓力的急劇上升，形成惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致熱失控，造成安全事故。

 

不幸的是，從鋰電反應(yīng)機(jī)理而言，單體電池的熱失控隱患是無法根除的，只能通過諸如熱控制技術(shù)（PTC 電極）、正負(fù)極表面陶瓷涂層、過充保護(hù)添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等等技術(shù)的綜合性應(yīng)用來無限改善單體電芯的安全性能，但無法真正根除。

 

關(guān)于電芯層面的鋰電安全性，武漢大學(xué)教授艾新平做了非常全面的分析，從熱失控過程來看，發(fā)生熱失控最早的一個反應(yīng)是負(fù)極表面SEI膜的分解，由于負(fù)極成份及添加劑的不同，SEI膜的分解分度大概在120-140℃，發(fā)生分解以后，負(fù)極裸露在電解液中，并發(fā)生劇烈的還原分解，放出大量的可燃性氣體和熱量，促使電池的溫度進(jìn)一步上升，直至正極發(fā)生分解。

 

正極發(fā)生分解時，溫度大概在180-200℃，此時電芯的副反應(yīng)就很難控制了，因為正極分解時不僅僅釋放大量的熱量，還會產(chǎn)生活性極高的氧原子，導(dǎo)致電解液直接氧化分解，短時間內(nèi)會造成電池內(nèi)部大量的熱量積累。

 

值得一提的是，溫度和副反應(yīng)的關(guān)系是相輔相成的正相關(guān)，即溫度越高，副反應(yīng)越劇烈；副反應(yīng)越劇烈，溫度也就越高。這樣的惡性循環(huán)最后會導(dǎo)致電池進(jìn)入一個沒法控制的自加溫狀態(tài)，也就是所謂的“熱失控”。

 

業(yè)內(nèi)常說的磷酸鐵鋰安全性好，就是因為它作為正極在200-400℃的時候基本不發(fā)生分解，但正極的產(chǎn)熱只是副反應(yīng)的一部分，負(fù)極和電解液的氧化分解仍然存在，所以磷酸鐵鋰的安全性只是相對三元而言稍微安全一些而已。三元材料根據(jù)組成成份的不同，分解溫度有所變化，鎳占比越高，熱分解溫度越低，比如當(dāng)鎳含量達(dá)到0.8，在120度左右就開始發(fā)生熱分解，甚至早于負(fù)極的SEI膜，這對電池的溫控造成了極大的挑戰(zhàn)。

 

電池?zé)崾Э?，究其原因還是內(nèi)部出現(xiàn)了短路和過充的現(xiàn)象。比如涂層，電解液分布不均、電極間距不均會引起電流分布不均從而導(dǎo)致局部過充；在循環(huán)過程中正極性能衰竭過快，也會導(dǎo)致過充；另外BMS死機(jī)或者功能障礙、充電繼電器不能正常工作，這些都會導(dǎo)致過充。內(nèi)部短路同樣復(fù)雜，電解液分布不均導(dǎo)致局部析鋰；正極材料中的金屬雜質(zhì)，氧化后在負(fù)極表面還愿；充放電的反復(fù)體積變化等等因素都是短路的隱患。同時，我們無法在工藝層面保證清除所有的安全隱患，就像世間不會有兩片相同的葉子一樣。

 

鋰電池副反應(yīng)的安全性隱患是其電化學(xué)體系所決定的，并伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴(yán)重，即便再出色的電池管理系統(tǒng)（BMS）也無法從根本上解決鋰離子動力電池的安全性問題。同濟(jì)大學(xué)教授葉際平也在演講中表示，BMS一個很大的問題就是不能像腦神經(jīng)跟器官一般知道冷暖自如，BMS能夠控制電池，但是電池里面的材料變化它無法反饋到BMS里面去。

如何提升單體電芯的安全性能？

盡管鋰電安全無法根治，但卻是可控可防的，正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù)，將有利于促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步，比如提高材料/界面熱穩(wěn)定性，開發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴(kuò)展防范技術(shù)，就可以有效改善電池系統(tǒng)的安全性。以下為艾新平教授在電芯安全層面的研究，可供讀者參考。

 

表面包覆。正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面（電解液）的反應(yīng)，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩(wěn)定的保護(hù)層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸，從而降低副反應(yīng)的強(qiáng)度和產(chǎn)熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。

 

構(gòu)建濃度梯度。高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩(wěn)定性不好以外，更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強(qiáng)，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產(chǎn)熱溫度和產(chǎn)熱量是急劇提高的，原因就是電解液的界面反應(yīng)占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內(nèi)外有一個濃度梯度，這樣就有助于降低這個材料界面的反應(yīng)活性，提高電池安全性。

 

提高SEI膜的穩(wěn)定性。上文提到熱失效往往是從負(fù)極SEI膜的分解開始的，如果我們采用一些方式能提高SEI膜的分解溫度，提高熱穩(wěn)定性，對電池安全性將起到至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在的研究表明，一些有機(jī)脂類，一些有機(jī)磷酸鹽，甚至一些含氟的鋰鹽，他們都是可以有效的來提高負(fù)極SEI膜熱穩(wěn)定性的，提高它的分解溫度。

 

建立單體自激發(fā)熱保護(hù)。它的技術(shù)原理是利用溫度敏感材料切斷危險溫度下電極上的電子傳輸或離子傳輸，甚至關(guān)閉電池反應(yīng)，從而終止產(chǎn)熱。比如PTC材料，隨著溫度的升高材料會從一個良好的導(dǎo)電態(tài)變成一個絕緣態(tài)，切斷電路。將PTC材料作為極流體的涂層或者作為電極的導(dǎo)電劑或者作為活性物質(zhì)的表面修飾層，即可有效的實現(xiàn)單體電芯的自發(fā)熱保護(hù)。與之類似的還有一種微球修飾隔膜，溫度升高時微球發(fā)生一個熔化，封閉隔膜上的孔道導(dǎo)致電池反應(yīng)關(guān)閉。

防止熱失控的誘發(fā)和蔓延才是工作重點

盡管艾新平教授介紹了多種提高單體電芯安全性的思路，但正如前文所提到的，我們始終無法從工藝上保證清除所有的安全隱患。與其在電芯的工藝層面做過多糾結(jié)，不如將工作重點放在系統(tǒng)層面，即防止單體發(fā)生熱失控以后產(chǎn)生系統(tǒng)的功能障礙，甚至是災(zāi)難性事故。

 

 

中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高

 

中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高也表示，當(dāng)前鋰離子電池從單體層面完全杜絕熱失控是不太現(xiàn)實的，但我們可以從電池系統(tǒng)的熱機(jī)電設(shè)計與控制設(shè)計來防止誘發(fā)和蔓延，即便單體出現(xiàn)熱失控也不會發(fā)生事故。

 

確實，電芯的失效只是整個電池系統(tǒng)安全隱患的一小部分。站在模組的角度，由于電芯結(jié)構(gòu)、工作方式和環(huán)境等多方面的因素會使得電芯的安全隱患加倍的體現(xiàn)出來，因此動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管控的嚴(yán)密性等等才是更加重要的部分。

 

這也是為什么市場上無法直接買到鋰電池電芯的原因，電池芯生產(chǎn)商只會向經(jīng)過授權(quán)的Pack公司銷售自己的電芯，再由Pack公司將電芯與保護(hù)板封裝成電池包出售給電器生產(chǎn)商而不是消費(fèi)者。此外，電池包必須與專用的充電器搭配并嚴(yán)格按照規(guī)定的方法使用，其實研究一下眾多的電動汽車充電自燃事故，不難發(fā)現(xiàn)，很大一部分自燃事件都是使用者沒有嚴(yán)格按照充電要求進(jìn)行操作。 其次，不匹配的充電器在充電過程中也很可能造成電動車起火。作為電動車電池續(xù)航的重要輸入配件，充電起到的安全作用功不可沒。經(jīng)常會有人誤把不匹配的電動車充電器混用，這樣不僅損壞電動車電池壽命，也對安全隱患埋下伏筆。

 

  再次，過度給你的電動車充電和有可能造成電動車起火事故。經(jīng)常有朋友喜歡給電動車充電過夜，如果超過正常的8小時而達(dá)到12小時甚至更長的充電時間的話，不僅縮短電動車電池壽命，更有可能在過沖=充導(dǎo)致起火隱患。