怎樣煉成不自燃的動(dòng)力電池？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-01 10:25
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經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，純電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)在2018年迎來(lái)了全面爆發(fā)。反應(yīng)在動(dòng)力電池市場(chǎng)上則是動(dòng)力電池出貨量不斷的走高。
2018年前10個(gè)月動(dòng)力電池出貨量就已經(jīng)超過(guò)了2017年全年，全年同比增長(zhǎng)超過(guò)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(chē)型不斷推出，以及新勢(shì)力車(chē)企的交付，預(yù)計(jì)2019年這個(gè)數(shù)字將繼續(xù)增長(zhǎng)。
目前市場(chǎng)上新能源車(chē)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(duì)比2017年之前的電動(dòng)汽車(chē)就可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池能量密度已經(jīng)從103.3Wh/kg上升到了142.4Wh/kg，并且國(guó)家設(shè)定在2020年達(dá)到300kWh/kg的目標(biāo)。讓動(dòng)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(dòng)力電池的車(chē)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(chē)型。
三元鋰優(yōu)勢(shì)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(shí)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(guó)家禁止使用在客運(yùn)車(chē)輛上。
市場(chǎng)份額僅次于三元鋰的是磷酸鐵鋰電池，因?yàn)橥怀龅陌踩阅埽饕獞?yīng)用在商用車(chē)上，目前滿大街跑的電動(dòng)公交車(chē)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(huì)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(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)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(huì)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(méi)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(zhuān)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(chē)型和純電車(chē)型上。豐田的混插車(chē)型和純電車(chē)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(chǎng)占有率，寧德時(shí)代的2018出貨量超過(guò)依托特斯拉和豐田等純電混動(dòng)車(chē)型全面熱銷(xiāo)的松下和主要供給自家車(chē)型的比亞迪，問(wèn)鼎出貨量冠軍，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(shì)，在降低補(bǔ)貼之后是否能保持現(xiàn)在的市場(chǎng)依然是個(gè)問(wèn)號(hào)。當(dāng)然作為寶馬在電池方面的合作企業(yè)，相信寧德時(shí)代有足夠的實(shí)力研發(fā)出價(jià)格更低更好的產(chǎn)品。
鋰離子電池是怎么燃起來(lái)的
好了，講完動(dòng)力電池的分類(lèi)以及前世今生，現(xiàn)在就來(lái)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(guò)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(guò)熱以及大功率放電和過(guò)充。
鋰電池由正極、負(fù)極和只允許鋰離子通過(guò)的隔膜構(gòu)成。電池在工作中會(huì)放出熱量，當(dāng)升高到一定溫度后隔膜會(huì)發(fā)生熱閉合，令鋰離子不能通過(guò)，隔絕電池正負(fù)極，停止反應(yīng)，防止電池過(guò)熱。
然而隔膜在超過(guò)一定溫度后會(huì)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(huì)導(dǎo)致隔膜無(wú)法隔絕正負(fù)極，電池就會(huì)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(gè)過(guò)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)被點(diǎn)燃。最終呈現(xiàn)出來(lái)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(shí)間內(nèi)燃起大火，并且難以滅火。
國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)保證安全
既然鋰電池存在問(wèn)題，為了保證鋰電池在乘用車(chē)輛上的安全使用，國(guó)家對(duì)于乘用車(chē)蓄電池與蓄電池包括系統(tǒng)國(guó)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(cè)試項(xiàng)目，必須同時(shí)通過(guò)所有測(cè)試，符合兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)車(chē)輛才能上市與消費(fèi)者見(jiàn)面。
所有的試驗(yàn)都是在電池充好電的情況下測(cè)試，其中有幾個(gè)試驗(yàn)比較暴力，所長(zhǎng)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(gè)蓄電池，并且鋼針停留在蓄電池中，觀察一小時(shí)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(shí)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(shí)間調(diào)節(jié)溫度，循環(huán)5次，之后觀察一小時(shí)，還是不能出現(xiàn)爆炸、燃燒、起火。
還有一個(gè)是外部火燒試驗(yàn)，用一個(gè)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(kāi)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(shí)，不能出現(xiàn)爆炸、燃燒、起火。
事實(shí)上經(jīng)過(guò)這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池自燃起火的概率并不比燃油車(chē)輛高，對(duì)于有實(shí)力的主機(jī)廠生產(chǎn)銷(xiāo)售的純電動(dòng)車(chē)或者混合動(dòng)力車(chē)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(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定的安全性能，為了保證車(chē)輛的動(dòng)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(jì)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(gè)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(gè)避免電池過(guò)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(guò)充情況的發(fā)生。因?yàn)殡姵仉娏坎荒鼙恢苯訖z測(cè)，只能通過(guò)電流電壓估算，當(dāng)電源管理策略因?yàn)樘鞖獾仍虺鲥e(cuò)的情況下，很容易造成過(guò)充。
過(guò)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(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)電池過(guò)充避免過(guò)熱，還能夠識(shí)別是否發(fā)生內(nèi)短路，對(duì)車(chē)輛人員發(fā)出警告，引導(dǎo)人員快速逃離。
甚至能通過(guò)主動(dòng)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(gè)辦法就是使用主動(dòng)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^(guò)高或者過(guò)低引起過(guò)充過(guò)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。
傳統(tǒng)的鋰電池隔膜使用單一的聚乙烯或者聚丙烯，在超過(guò)135度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)隔膜破損，出現(xiàn)自燃的危險(xiǎn)。新型的電池采用聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯復(fù)合隔膜，在更高溫度依然能保持隔膜阻斷功能。
除此之外，傳統(tǒng)的電池中電解質(zhì)在高溫下分解，產(chǎn)生大量氣體與熱量，發(fā)生熱失控。通過(guò)往電解質(zhì)添加磷酸酯類(lèi)阻燃劑，能夠有效的中斷反應(yīng)，組織燃燒反應(yīng)。
這些不同的措施還有很多，并且還在不斷的根據(jù)用戶反饋和測(cè)試結(jié)果不斷改進(jìn)。電動(dòng)車(chē)的安全性并不會(huì)因?yàn)楦淖兞藙?dòng)力系統(tǒng)而落后于燃油車(chē)。
作為未來(lái)的發(fā)展方向，有許多不同的公司、不同的技術(shù)團(tuán)隊(duì)在為電動(dòng)車(chē)的安全性能不斷的添磚加瓦。燃油車(chē)目前的安全性也是在不同的事故中總結(jié)改進(jìn)的。未來(lái)隨著電動(dòng)車(chē)更加廣泛的出現(xiàn)在我們生活之中，電動(dòng)車(chē)的安全性必將得到更進(jìn)一步提高。
