鋰電池的能量密度和安全性該如何兼顧？全固態(tài)鋰電池還有多遠(yuǎn)？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-22 19:39
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電動汽車起火事故中，大部分是因電池而起，包括交通事故碰撞、短路自燃等等原因。電動汽車的興起源于鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，在廣泛應(yīng)用于電動汽車之前，手機(jī)和筆記本電池燃燒爆炸的事故早已屢見不鮮，電池的潛在安全隱患似乎已經(jīng)成為電力汽車前進(jìn)發(fā)展的絆腳石。
電動汽車除了動力系統(tǒng)不同外，底盤、車身、內(nèi)外飾等都與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型并無區(qū)別。電池是電動汽車的主要儲能部件，直接影響到電動車的性能。在電動汽車上，一個個單個的電池芯組成電池，一定數(shù)量電池被組合到一起形成電池模組模塊。
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，電池會以不同倍率放電，并以不同速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時間累積及空間影響，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。
對于具體電池起火的情況，清華大學(xué)汽車工程開發(fā)研究院常務(wù)副院長、汽車安全與節(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)燃造成的。
從學(xué)術(shù)上來說，鋰離子主要做兩個運(yùn)動，一個叫嵌入，一個叫脫出。不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。"內(nèi)燃汽車的油箱，僅僅是一個儲存燃料的地方。而電動汽車的電池組不同，鋰電池既是一個儲能裝置，又是一個化學(xué)反應(yīng)的裝置。電池在放電過程中同時進(jìn)行著氧化反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為電能，然后輸出來驅(qū)動汽車電機(jī)。"
宋健指出，鋰電池中電解液是用易燃溶劑配置而成的，鋰電池的充放電過程，就是電解液中鋰離子的運(yùn)動過程。鋰是一種活潑金屬，電池內(nèi)的鋰如果暴露在空氣中，就會與氧氣產(chǎn)生激烈反應(yīng)進(jìn)而燃燒。
為了防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，汽車電池制造商一般會用多層外殼或塑膜來封閉電池，使得鋰不會與氧氣接觸，廠商也會在電池包外殼包裹堅(jiān)硬保護(hù)殼。不過，在電池內(nèi)部又是另一番"脆弱"的環(huán)境。中國科學(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級別厚度的隔離薄膜。目前電動汽車廠商為追求高能量密度、高續(xù)航,會將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池造成了一定的安全隱患。
自己在實(shí)驗(yàn)室做測試中就出現(xiàn)過隔離薄膜破裂的情況。"我們實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，模仿電動汽車發(fā)生劇烈碰撞的狀況，電池在一定的碰撞沖擊力和大氣壓強(qiáng)下，薄膜就會發(fā)生破裂，正極上的氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電池的正負(fù)極就發(fā)生短路了，局部溫度升高，就可能引燃電池的電解液。
電動車上的電池都是通過串并聯(lián)成組工作，單個電池組（或電池包）發(fā)生熱失控之后，局部釋放的能量向周圍傳播，將可能引起周圍電池的熱失控。數(shù)千顆電池芯間引發(fā)連鎖反應(yīng)，終致電池組全面起火爆炸，釋放巨大能量。所以在極端情況下，一個小故障就有可能會造成災(zāi)難性的后果。
能量密度和安全性的天然矛盾
當(dāng)前，鋰電池已與我們的生活越來越緊密，我們的手機(jī)、筆記本電腦里面都有鋰電池。鋰電池指的是電化學(xué)體系中含鋰的電池，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型汽車發(fā)布前，特斯拉電動汽車采用松下提供的18650型號的鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時。特斯拉的MODEL S型汽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、片逐一分配組成電池包，然后平鋪在車身底板上。
早在1991年，索尼公司就發(fā)布了首個商用鋰電池，同時索尼公司根據(jù)多年開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮后定下了一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號：直徑為18mm，長度為65mm的圓柱形電池——也就是我們今天常說的18650鋰電池。之后這種圓柱形的鋰電池徹底革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。小到充電寶，大到汽車，這種圓柱形電池?zé)o時不刻不在影響著我們生活的方方面面。
今天松下、三星、LG等廠商旗下的的電池工廠仍然在24小時不停地生產(chǎn)著這種有著近30年歷史的產(chǎn)品。由于18650號電池的體積太小，無法通過工藝控制和原材料角度提高能量密度，降低電池成本，因而特斯拉從Model 3車型開始，使用增大體積的21700號鎳鈷鋁三元鋰電池，也就是直徑21mm、長度70mm的圓柱形電池。
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"。
三元鋰電池的最大優(yōu)勢在于電池儲能密度高，續(xù)航能力強(qiáng)；其次電池壽命、輸出功率、成本控制都不錯，因此特斯拉、比亞迪等國內(nèi)外汽車產(chǎn)商都紛紛選擇采用。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達(dá)到一定溫度時，會分解釋放出極活潑的初生態(tài)氧，即使在沒有外界氧氣供應(yīng)的情況下，電池本身就具備可燃物、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)揮了巨大的作用。鎳、鈷是元素周期表中副族中的活性金屬，主要作用是提升電池的體積能量密度，是提升續(xù)航里程的主要突破口，要想電池讓汽車跑得更遠(yuǎn)，那就勢必要增加鎳、鈷在三元材料中的比值，不過也必須承擔(dān)兩者化學(xué)性質(zhì)活潑帶來的安全隱患，魚和熊掌不可兼得。
"三元鋰電池中使用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性就越差。"中國工程院院士楊裕生曾發(fā)表文章，旗幟鮮明地反對大力發(fā)展三元鋰電池。楊裕生認(rèn)為，國家新能源汽車的補(bǔ)貼機(jī)制鼓勵電動汽車搭載高能量密度電池，電池廠商為追逐利益，在缺乏科學(xué)性的情況下，才大力發(fā)展三元鋰電池。
優(yōu)勢滿滿的全固態(tài)鋰電池發(fā)展緩慢
電池被安裝在空間有限的汽車?yán)铮淠芰棵芏葲Q定了電動車的行駛距離，目前電動車用的鋰電池能量密度約為 120~150瓦時/公斤，根據(jù)《中國制造2025》動力電池發(fā)展規(guī)劃：到2020年，國產(chǎn)電動汽車的電池能量密度將達(dá)到300瓦時/公斤，2025年達(dá)到400瓦時/公斤,到2030年達(dá)到500瓦時/公斤。
隨著電芯和電池系統(tǒng)能量密度的進(jìn)一步增加，保障動力電池系統(tǒng)安全的需求也會更加強(qiáng)烈，挑戰(zhàn)和難度也將隨之提升。十三屆全國政協(xié)副主席、中國科協(xié)主席萬鋼也曾公開表示，在發(fā)展電池能量密度的同時，要將動力電池系統(tǒng)電-熱安全作為電動汽車發(fā)展最關(guān)鍵的指標(biāo)，從動力電池的單體模塊、電池包、電-熱管理以及結(jié)構(gòu)布置等方面綜合考慮，重視材料的穩(wěn)定性、充放電機(jī)制、熱失控防護(hù)和電-熱管理系統(tǒng)。
電池能量密度的躍進(jìn)對于電池來說本身就是一場"賭注"，因?yàn)槟芰棵芏忍嵘馕吨枰捎酶呋钚缘恼?fù)極材料，或減少隔離膜的厚度，兩項(xiàng)做法都將大幅增加電池的危險(xiǎn)性。
如何解決能量密度和安全性的矛盾？中國科學(xué)院院士歐陽明高接受媒體采訪時候表示，全固態(tài)鋰電池是未來電池發(fā)展的方向。他介紹，目前業(yè)內(nèi)正在研究一種全固態(tài)電池，不會發(fā)生刺穿隔膜的問題。
歐陽明高院士強(qiáng)調(diào)，這個詞的每一個字都不能少、不能變，所謂"全固態(tài)鋰電池"是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)成分的鋰電池。
全固態(tài)鋰電池由于采用高熱穩(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，電池燃燒問題可以得到有效解決。搭載全固態(tài)鋰電池的汽車，自燃概率會大大降低，可以說是下一代新能源汽車動力電池的理想對象。
不過歐陽明高院士坦承，真正意義上的全固態(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)界面接觸性是重要的技術(shù)難點(diǎn)，也就是電解質(zhì)與電極之間形成高電阻界面問題，還存在技術(shù)不確定性，未來還需要較長時間的科研攻關(guān)。"
據(jù)悉，包括韓國三星、日本豐田在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進(jìn)入測試階段。宋健介紹，盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路還需要進(jìn)一步探究。"目前在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)有全固態(tài)鋰電池的樣品出現(xiàn)，不過價格高昂，配備在汽車上，汽車的起售價動輒會上百萬人民幣。"
此外，就儲能性能來說，全固態(tài)鋰電池并非完美無缺，其最大的一個缺點(diǎn)就是高倍率放電性能極差，原因就是鋰離子的固態(tài)擴(kuò)散速度比在溶液里擴(kuò)散慢得多。不過一旦前面這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。
