王子冬：動(dòng)力電池能量密度要與安全性平衡
時(shí)間:2020-07-16 09:43來(lái)源:中國(guó)能源報(bào) 作者:盧奇秀
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5月4日，杭州九堡客運(yùn)中心門(mén)口，一輛正在行駛的面包車(chē)發(fā)生自燃。5月8日，鄭州日產(chǎn)帥客EV在東莞某充電站自燃，致使多車(chē)嚴(yán)重?fù)p毀。6月5日，一輛江鈴易至EX5在湖州長(zhǎng)興某小區(qū)發(fā)生自燃。6月22日，一輛歐拉iQ在保定市瑞興路的國(guó)家電網(wǎng)充電站內(nèi)自燃。6月28日，杭州余杭盛奧西溪銘座地下車(chē)庫(kù)發(fā)生一起新能源汽車(chē)自燃事故……
“5月以來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)安全事故頻發(fā)、‘火燒連營(yíng)’。”原中國(guó)北方車(chē)輛研究所動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)王子冬坦言，目前電動(dòng)汽車(chē)自燃事故還不能“歸零”，給新能源汽車(chē)推廣帶來(lái)巨大的負(fù)面影響。
在近日舉行的“動(dòng)力電池安全設(shè)計(jì)及防護(hù)技術(shù)線上研討會(huì)”上，王子冬反復(fù)強(qiáng)調(diào)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)安全要有正確認(rèn)識(shí)，在目前電池起火原因尚不明晰的情況下，動(dòng)力電池能量密度的提升要與安全性尋求平衡優(yōu)化。
電池自燃的根本原因是內(nèi)部短路
“‘高溫炎熱的夏天更容易起火’的說(shuō)法并不正確。”王子冬指出，從各個(gè)月份的電動(dòng)汽車(chē)起火事件分布情況來(lái)看，除了12月的數(shù)量略少之外，其余各個(gè)月份都有超過(guò)4起嚴(yán)重起火事故，其中5、6月和11月是兩個(gè)高峰期，這表明電動(dòng)汽車(chē)起火事故在全氣候條件下均易發(fā)生。
王子冬認(rèn)為，電動(dòng)汽車(chē)安全事故主要由動(dòng)力電池?zé)崾Э匾穑珶崾Э貎H是結(jié)果，其原因錯(cuò)綜復(fù)雜。“現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)普遍配置了熱管理系統(tǒng)，電池不太容易因?yàn)閱我坏臒釣E用而觸發(fā)熱失控。”他表示，解決電池安全問(wèn)題，還要從更為復(fù)雜的角度對(duì)其誘因進(jìn)行全面分析。
“說(shuō)起熱失控，一般都指向了電芯的熱失控。”王子冬強(qiáng)調(diào)，這一觀點(diǎn)很片面，電芯熱失控只是其中的一部分，還有其他原因引起的熱失控，比如，電池包內(nèi)部的低壓線束起火，局部高電阻導(dǎo)致高壓線路升溫、不合理的充電和維護(hù)方法等，“在電池包內(nèi)沒(méi)有相應(yīng)的防護(hù)措施時(shí)，火勢(shì)難以控制，形成熱失控和蔓延，最終導(dǎo)致電芯起火，從而產(chǎn)生電芯熱失控的假象。”
“車(chē)企在理解熱失控時(shí)也經(jīng)常感到困惑，因?yàn)楫?dāng)前電池?zé)崾Э氐亩x或研究都是以電芯來(lái)設(shè)計(jì)的。”王子冬坦言，以電芯先入為主的思路，不利于實(shí)際工作中開(kāi)展熱失控的防護(hù)。
厘清電池包的熱失控要回歸本源，即“熱”上。王子冬進(jìn)一步說(shuō)明，電池包熱源來(lái)自多個(gè)方面：周?chē)饨缥矬w的熱；短路或線路中高溫電阻、電芯內(nèi)阻電流作用產(chǎn)生熱；過(guò)充或是低電壓、大電流產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱；正負(fù)極材料與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，以及氣體膨脹都會(huì)產(chǎn)生熱。
在王子冬看來(lái)，引發(fā)電池自燃的根本原因是內(nèi)部短路。“加工制備時(shí)混入的金屬雜質(zhì)或產(chǎn)生的極片毛刺、電濫用、電解液浸泡不均等引發(fā)的局部析鋰，都有可能劃破電池隔膜，引發(fā)微小的內(nèi)部短路。”王子冬稱，這種微小的短路并不易被察覺(jué)會(huì)在電池內(nèi)部持續(xù)產(chǎn)熱，當(dāng)熱量堆積到一定程度就會(huì)引發(fā)電池?zé)崾Э兀率闺姵仄鸹稹?/div>
(責(zé)任編輯：子蕊)
電池能量密度與安全性成反比
王子冬進(jìn)一步表示，近幾年電動(dòng)汽車(chē)安全事故呈現(xiàn)出一定趨勢(shì)。“電動(dòng)客車(chē)起火頻次和占比逐年減少，而乘用車(chē)起火頻次和占比總體上在上升，三元電池的使用是一個(gè)原因。”王子冬坦言，盲目追求高能量密度是問(wèn)題的焦點(diǎn)，如何在高能量密度與提高安全性之間取得平衡，是當(dāng)前業(yè)內(nèi)亟待解決的一大難題。
各動(dòng)力電池企業(yè)在不遺余力地創(chuàng)新。2019年9月，寧德時(shí)代推出了全新的CTP方案，改變了原有的電芯—模組—電池包結(jié)構(gòu)，電芯直接集成到電池包。據(jù)了解，北汽EU5成為首款搭載該電池的車(chē)型，該電池包體積利用率提高了15%—20%，能量密度進(jìn)一步提升至200Wh/kg，大幅降低了動(dòng)力電池的制造成本。特斯拉、蜂巢能源均對(duì)CTP技術(shù)進(jìn)行了布局。
比亞迪今年也重磅推出了刀片電池，設(shè)計(jì)上取消了縱梁、橫梁，以電芯作為電池包結(jié)構(gòu)的支撐件，使其體積能量密度從普通電池包的251Wh/L提高至332Wh/L。
“上述新技術(shù)沒(méi)有隔離墻，這就要求電池確保萬(wàn)無(wú)一失，但目前還做不到。”王子冬直言，目前還沒(méi)有真正弄清楚鋰電池的著火原因、是什么環(huán)節(jié)出了問(wèn)題、什么場(chǎng)景會(huì)出問(wèn)題。“為了降低成本、多帶電池，直接取消模組的做法值得商榷，有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。”在他看來(lái)，理論上，電池能量密度與安全性成反比。動(dòng)力鋰電池成組時(shí)最關(guān)鍵、最核心的問(wèn)題是安全和使用壽命，其影響因素除了電池自身工藝性和產(chǎn)品質(zhì)量外，充電的安全性和熱管理技術(shù)也至關(guān)重要，如果沒(méi)有完善這兩項(xiàng)技術(shù)，電池的安全性和長(zhǎng)壽命循環(huán)就無(wú)法得到保證。
為應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池自燃事故的發(fā)生，很多企業(yè)都在研究BMS（電池管理系統(tǒng)）。“如果電池受到外部影響，目前的BMS基本能夠起到防護(hù)作用，但如果是電池內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題，一般的BMS就不太管用了。”王子冬建議，BMS研究的重點(diǎn)應(yīng)該在電芯的檢測(cè)和事故前的監(jiān)控上，BMS不能是“事后諸葛亮”。
電池設(shè)計(jì)要從整體系統(tǒng)優(yōu)化
值得注意的是，目前有相當(dāng)一部分安全事故集中在充電環(huán)節(jié)。王子冬指出，正常充電過(guò)程中引發(fā)的電池起火事故正逐年上升，其中有充電設(shè)備故障引起的，也有電池過(guò)充引發(fā)的。實(shí)際上，電動(dòng)汽車(chē)在停止?fàn)顟B(tài)下也會(huì)自燃，這對(duì)電池安全管理提出了更高要求，不僅在運(yùn)行過(guò)程中，在斷電狀態(tài)下也要對(duì)電池進(jìn)行有效監(jiān)管和防護(hù)。“斷電后的監(jiān)護(hù)，目前還是盲點(diǎn)。”
王子冬進(jìn)一步表示，隨著電動(dòng)汽車(chē)保有量的上升和充電樁建設(shè)速度的加快，對(duì)充電方法和充電設(shè)施進(jìn)行更加規(guī)范化的管理，對(duì)充電電池組進(jìn)行有效的狀態(tài)檢測(cè)，十分重要。
目前，行業(yè)正致力于大功率直流快充的技術(shù)攻堅(jiān)。王子冬提醒，快充對(duì)動(dòng)力電池的要求很高，與之相伴的是，如何減小電池組在快充過(guò)程中單體電池之間的差異問(wèn)題。“要實(shí)現(xiàn)快充，就必須在其它方面做出犧牲。”王子冬解釋，快充會(huì)在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，過(guò)高的溫度會(huì)破壞負(fù)極材料的粘接性能，從而導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)的脫離，使電池可逆容量快速衰降、電池性能劣化，嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的使用壽命。
王子冬表示，行業(yè)已經(jīng)在減小電池級(jí)片的厚度、改變電池結(jié)構(gòu)，以及選擇更合適快充的材料等方面進(jìn)行調(diào)整。不過(guò)，這些都將增加動(dòng)力電池的生產(chǎn)成本，電池設(shè)計(jì)需從整體角度進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。
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