如何煉成的不自燃動力電池？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-29 19:14
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動力電池的今日
經(jīng)過多年的發(fā)展，純電動車和混合動力車在2018年迎來了全面爆發(fā)。反應(yīng)在動力電池市場上則是動力電池出貨量不斷的走高。
2018年前10個月動力電池出貨量就已經(jīng)超過了2017年全年，全年同比增長超過84%，裝機(jī)總電量達(dá)56.89GWh。
隨著2019年各老牌主機(jī)廠新能源車型不斷推出，以及新勢力車企的交付，預(yù)計2019年這個數(shù)字將繼續(xù)增長。
目前市場上新能源車型主要使用的電池有使用最廣泛三元鋰電池、安全穩(wěn)定的磷酸鐵鋰電池以及豐田獨(dú)家的鎳氫電池。
對比2017年之前的電動汽車就可以發(fā)現(xiàn)，動力電池能量密度已經(jīng)從103.3Wh/kg上升到了142.4Wh/kg，并且國家設(shè)定在2020年達(dá)到300kWh/kg的目標(biāo)。讓動力電池能量密度提升如此巨大的根本在于三元鋰電池的廣泛應(yīng)用。
使用三元鋰動力電池的車包括model 3、卡羅拉e+、比亞迪元EV等在內(nèi)一眾主流新能源車型。
三元鋰優(yōu)勢在于能量密度高，目前最先進(jìn)特斯拉松下的電池已經(jīng)可以接近300kWh/kg，而寧德時代和比亞迪目前可以達(dá)到200kWh/kg，目前三元鋰電池材料還有很大的上升空間。然而在安全性能和電池循環(huán)上不如磷酸鐵鋰電池，被國家禁止使用在客運(yùn)車輛上。
市場份額僅次于三元鋰的是磷酸鐵鋰電池，因?yàn)橥怀龅陌踩阅?，主要?yīng)用在商用車上，目前滿大街跑的電動公交車使用的主要就是磷酸鐵鋰電池。
相比于三元鋰電池200度下就會發(fā)生電解質(zhì)揮發(fā)，容易自燃，磷酸鐵鋰電池在800度下才會出現(xiàn)這種問題。然而電池密度目前最高的比亞迪也只能達(dá)到150kWh/h，曾經(jīng)使用磷酸鐵鋰電池的比亞迪王朝系列目前也改用了三元鋰電池。
現(xiàn)在磷酸鐵鋰電池能量密度已經(jīng)接近理論極限值，提升空間不大。而且在-10度以下充電100次容量就會衰減不到20%，在寒冷環(huán)境下基本上難以使用。
至于豐田獨(dú)家的鎳氫電池，雖然安全性和可靠性久經(jīng)考驗(yàn)，使用這么多年并沒有發(fā)生什么電池方面的安全事故，然而豐田為這方面設(shè)立了太多專利壁壘，讓其他廠商難以使用。
鎳氫電池循環(huán)次數(shù)非常低，只能低充低放提循環(huán)次數(shù)，豐田普銳斯就是令電池保持在40%~60%容量使用。加上能量密度甚至比磷酸鐵鋰電池低，因此不能運(yùn)用在混插車型和純電車型上。豐田的混插車型和純電車型也是使用三元鋰電池。
依靠在三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池上廣泛的市場占有率，寧德時代的2018出貨量超過依托特斯拉和豐田等純電混動車型全面熱銷的松下和主要供給自家車型的比亞迪，問鼎出貨量冠軍，在國內(nèi)市場占有率達(dá)到41.3%。
然而在能量密度與成本上與松下、LG等日韓電池相比依然處于劣勢，在降低補(bǔ)貼之后是否能保持現(xiàn)在的市場依然是個問號。當(dāng)然作為寶馬在電池方面的合作企業(yè)，相信寧德時代有足夠的實(shí)力研發(fā)出價格更低更好的產(chǎn)品。
鋰離子電池是怎么燃起來的
好了，講完動力電池的分類以及前世今生，現(xiàn)在就來聊聊市占率最大的鋰電池，為何如此容易著火。
鋰電池起火根源在于熱失控。
鋰電池發(fā)生過熱自燃的原因主要內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是電池的老化，外因主要有：穿刺、碰撞、短路、外部過熱以及大功率放電和過充。
鋰電池由正極、負(fù)極和只允許鋰離子通過的隔膜構(gòu)成。電池在工作中會放出熱量，當(dāng)升高到一定溫度后隔膜會發(fā)生熱閉合，令鋰離子不能通過，隔絕電池正負(fù)極，停止反應(yīng)，防止電池過熱。
然而隔膜在超過一定溫度后會發(fā)生破裂，失去保護(hù)作用。當(dāng)外部熱量導(dǎo)致隔膜破裂，或是穿刺、碰撞等物理破壞，甚至是因?yàn)槔匣?fù)極形成的鋰離子晶體刺破隔膜，都會導(dǎo)致隔膜無法隔絕正負(fù)極，電池就會發(fā)生內(nèi)部短路。
電池因?yàn)閮?nèi)部短路，正負(fù)極大面積接觸發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱量，并導(dǎo)致這個過程不斷加劇，溫度繼續(xù)升高。
而鋰電池使用的電解液在高溫下并不穩(wěn)定，除了在高溫下會揮發(fā)形成氣體導(dǎo)致電池膨脹破裂，加劇了內(nèi)部短路之外，在到達(dá)一定溫度之后會發(fā)生一系列分解反應(yīng)，并且放出大量的熱量，這些熱量又會引起反應(yīng)進(jìn)一步加劇，最終產(chǎn)生自加熱效果。
當(dāng)一塊鋰電池因?yàn)楦鞣N原因發(fā)生內(nèi)部短路，放出的熱量可能會引起剩下電池的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終導(dǎo)致大面積的熱失控。
鋰電池使用電解液是具有揮發(fā)性和可燃的有機(jī)溶劑，在熱失控下會被點(diǎn)燃。最終呈現(xiàn)出來的正如幾起Model S自燃事故中的，突然冒出大量的煙，在很短時間內(nèi)燃起大火，并且難以滅火。
國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)保證安全
既然鋰電池存在問題，為了保證鋰電池在乘用車輛上的安全使用，國家對于乘用車蓄電池與蓄電池包括系統(tǒng)國家建立了兩套嚴(yán)格的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，分別具有16項(xiàng)與10項(xiàng)安全測試項(xiàng)目，必須同時通過所有測試，符合兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)的電動車輛才能上市與消費(fèi)者見面。
所有的試驗(yàn)都是在電池充好電的情況下測試，其中有幾個試驗(yàn)比較暴力，所長詳細(xì)講一講，大家感受一下這份標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度。
針刺試驗(yàn)是使用直徑6-8mm的鋼針以25mm/s的速度垂直穿刺，并至少貫穿三個蓄電池，并且鋼針停留在蓄電池中，觀察一小時不能出現(xiàn)爆炸、燃燒、起火。
加熱試驗(yàn)是以每分鐘5攝氏度的速率升高到130度并保持30分鐘，停止加熱之后觀察一小時不能出現(xiàn)爆炸、燃燒、起火。
溫度循環(huán)試驗(yàn)是按照上表的溫度和持續(xù)時間調(diào)節(jié)溫度，循環(huán)5次，之后觀察一小時，還是不能出現(xiàn)爆炸、燃燒、起火。
還有一個是外部火燒試驗(yàn)，用一個尺寸大于電池系統(tǒng)的點(diǎn)燃油盆，將電池直接暴露在火盆上方50厘米處，火焰直接燃燒電池70秒，然后蓋上蓋板隔板加了60秒或直接繼續(xù)燃燒60秒。離開火源之后若電池有火苗需要2分鐘之內(nèi)熄滅。觀察2小時，不能出現(xiàn)爆炸、燃燒、起火。
事實(shí)上經(jīng)過這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)的測試，電動車動力電池自燃起火的概率并不比燃油車輛高，對于有實(shí)力的主機(jī)廠生產(chǎn)銷售的純電動車或者混合動力車輛，大家在安全性方面還是可以放心的。
不斷提升的安全性能
除了電池本身國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定的安全性能，為了保證車輛的動力電池的安全，還有許多其他設(shè)備在保證其安全。
比如在2013年的特斯拉被穿刺電池燃燒之后，特斯拉重新設(shè)計了電池的外部保護(hù)的裝置。
采用鋁合金和鈦金屬的材料打造出一個偏轉(zhuǎn)“盾牌”，既能防護(hù)正面的撞擊，也能偏轉(zhuǎn)一些濺射或者穿刺的物體，從外部很好的降低了電池被穿刺和撞擊的概率。
還有一個避免電池過熱的重要設(shè)備就是電源系統(tǒng)的電源管理BMS算法，有效的電源管理算法能夠有效的避免過充情況的發(fā)生。因?yàn)殡姵仉娏坎荒鼙恢苯訖z測，只能通過電流電壓估算，當(dāng)電源管理策略因?yàn)樘鞖獾仍虺鲥e的情況下，很容易造成過充。
過充導(dǎo)致電池正極溶解、電解液被氧化分解，電池發(fā)熱并且膨脹破裂，最終起火。
現(xiàn)在世界各地不同的團(tuán)隊都在研究更加先進(jìn)有效的電源管理算法。一套優(yōu)秀的電源管理算法不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)電池過充避免過熱，還能夠識別是否發(fā)生內(nèi)短路，對車輛人員發(fā)出警告，引導(dǎo)人員快速逃離。
甚至能通過主動散熱系統(tǒng)降低內(nèi)短路部分溫度，最終實(shí)現(xiàn)在熱失控前控制溫度。
當(dāng)然還有一個辦法就是使用主動溫度控制的策略，采用液冷循環(huán)系統(tǒng)包裹電池組。不僅能很好的避免因?yàn)殡姵販囟冗^高或者過低引起過充過放，還能令電池保持在適合的溫度區(qū)間，令電池充電處于最佳溫度，達(dá)到最好的快充的效果。
