高鎳安全成共識 但固態(tài)電池現(xiàn)分歧
時間:2019-10-22 10:27來源:NE時代 作者:Leslie Ding
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相對高鎳安全解決方案現(xiàn)場的齊心協(xié)力，固態(tài)電池的現(xiàn)場是在分歧中前行。
什么是電動汽車自燃的“罪魁禍首”？用最近很流行的一句話來回答，沒有一片雪花是無辜的。
一個推崇能量密度的電動汽車市場，對電池包、整車的安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。2018年國內(nèi)電動汽車每百萬輛發(fā)生了52起安全事故。若論場景，充電、行駛、停放，均是安全事故發(fā)生的場景。
若分析原因，58%的起火事故發(fā)生原因是鋰電池的熱失控。近90%的熱失控是由短路引發(fā)的。電芯層面，正負極材料、電解液、隔膜，是熱失控發(fā)生的直接導火索。成組后，如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻、電控方面抑制熱擴散，關(guān)系到熱失控風險能否被減少或扼殺。
2019年10月16日-17日，2019中日韓下一代新能源汽車電池技術(shù)大會在上海舉辦。大會分為兩個論壇，主題分別為電池熱安全與解決方案和固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)。
論壇一，OEM、動力電池企業(yè)、知名高校、實驗室、檢測機構(gòu)，在動力電池比能量層次不斷提升下，討論高鎳電池熱失控的產(chǎn)生原因及解決方案。論壇二則是關(guān)于不同固態(tài)電池技術(shù)路線及現(xiàn)狀的解析。
系統(tǒng)看熱安全
一塊動力電池的全生命周期是從材料體系的選擇開始，到電芯的完成，模組、PACK的成型，裝車應用后的電池管理，到隨車運行中的使用。
熱失控產(chǎn)生的根源是在電芯。正負極是“導火線”，電解液是“燃料庫”，它只需要一粒“火花”就會出現(xiàn)熱失控或者火災。
“ 火花”或來自于電芯內(nèi)部，或由外因而起。內(nèi)因主要指在電池設(shè)計及制造過程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由于人員、外部條件等導致的原因。
造成電池熱安全失效，主要是局部過熱，導致電池內(nèi)部短路，或者微短路造成電池隔膜破損，出現(xiàn)更大面積的短路。
鋰離子電池從NCM111、NCM523一路升級到NCM622、NCM811。正極三元材料鎳含量不斷提高，釋氧溫度不斷下降，正極材料的熱穩(wěn)定性越來越差。釋氧溫度下降就意味著鋰電池更加不耐熱，正極材料隨著溫度的提高從層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)，然后形成巖鹽，并釋放出活性氧。巖鹽的生長和氧氣的釋放是熱失控產(chǎn)生的根本問題。
電化學濫用是最令電芯廠頭痛的問題。在熱沖擊、過充、過放等濫用狀態(tài)下，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液會產(chǎn)生鋰枝晶，刺穿隔膜，導致內(nèi)短路。負極析鋰是鋰枝晶生長的一大原因。因此如何防止鋰枝晶的是一項重要課題。
隔膜失效導致正負極短路是一個熱失控重要的環(huán)節(jié)。當SEI膜這層安全膜被破壞后，電解液與電極發(fā)生反應產(chǎn)生熱，將會熔化隔膜。而且隔膜面對著的敵人還有鋰枝晶，威脅著它的完整性和穩(wěn)定性。
內(nèi)短路、過充、電池老化等帶來的電池失效外，外短路、擠壓、火燒、浸泡、模擬碰撞這些非常極端狀態(tài)下的機械失效也會轉(zhuǎn)化為內(nèi)短路引發(fā)電氣失效，最終導致熱失控。
電池在全生命周期過程當中可能出現(xiàn)的一些失效、性能衰減，會造成電芯超過了安全使用范圍被應用，引發(fā)一些安全事故。
電池廠和OEM齊心協(xié)力
熱失控產(chǎn)生的內(nèi)外因，需要電池廠和OEM的共同協(xié)作，給出一個整體的解決方案，包括正負極材料、隔膜、電解液以及電池管理、PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計。
對于電池廠而言，尋找耐高壓、耐高溫的阻燃電解液、耐高溫的單晶正極材料、抑制鋰枝晶的負極材料，或者使用添加了安全劑的包覆后的NMC811正極，提高干法隔膜的應用，引入陶瓷隔膜，在電芯層面抑制熱失控。
對于主機廠而言，關(guān)注電池本身的安全遠遠不夠。除了電池自身的問題，電池電連接、機械安全、充電連接、日常性使用問題、出現(xiàn)問題后迅速處理，均是電動汽車安全的核心。
OEM的動力電池安全防護體系從單體、模組、BMS和系統(tǒng)四個方面進行設(shè)計和驗證。一方面，電池廠家本身從設(shè)計、制造環(huán)節(jié)確保安全。另一方面，整車廠從模組安全上考慮機械、電氣、熱安全，如安全間隙、受力設(shè)計、防護。
在總成結(jié)構(gòu)上，OEM要考慮整車的各種工況，還有冷卻管路、新型冷卻技術(shù)、熱失控的預警、防擴散，同時思考主動滅火，怎么通過外部結(jié)構(gòu)把火撲滅。
OEM普遍思考的是如何從系統(tǒng)層面提高電池包的安全的設(shè)計。無論是正負極材料、電解液、隔膜，成組后PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻、熱管理，以及防范警告，均是OEM分析的對象。
鋰電池的安全是一個大話題，它涉及到從材料、生產(chǎn)到應用的方方面面。確保電動汽車的熱安全，需要主機廠、電池廠、檢測機構(gòu)的通力合作，從分析熱失控的機理入手，探索延緩熱失控發(fā)生的新技術(shù)。
固態(tài)電池的不同聲音
電動汽車的向前預示著動力電池比能量標準不會后退。高電勢正負級材料的應用已成為趨勢，NCM811、硅碳負極越來越多地出現(xiàn)在電池廠的技術(shù)路線中。但火災的風險仍威脅著高鎳電池的應用。于是電池廠和OEM將目光投向阻燃、耐高壓的固態(tài)化電解質(zhì)，期望借此來解決比能量和安全性的平衡問題。
但是，在本次的中日韓大會上，中日嘉賓對固態(tài)電池的研究和應用的觀點差異甚大，挑戰(zhàn)著業(yè)內(nèi)對固態(tài)電池的固有看法。相對高鎳安全解決方案現(xiàn)場的齊心協(xié)力，固態(tài)電池的現(xiàn)場是在分歧中前行。
日本30年固態(tài)電池專家Tadahiko Kubota博士、日本原豐田、本田電池核心專家大木栄幹，對固態(tài)電池研究現(xiàn)狀的評述可以用“悲觀”來形容，固態(tài)電池應用于電動汽車是相當困難的。而另一方，國內(nèi)清陶、衛(wèi)藍、輝能、國軒高科等電池廠、中科院、同濟大學、上海交通大學等均在對固態(tài)電池進行孜孜不倦、如火如荼的研究。
日本專家的觀點可概括為以下幾點：豐田硫化物還停留在研發(fā)階段，以現(xiàn)階段的技術(shù)水平不可能量產(chǎn)。它研發(fā)固態(tài)電池的初衷為了減少混動車用電池。而外部錯認為固態(tài)電池就是用于電動汽車。這是豐田內(nèi)部想法和外部輿論之間出現(xiàn)的差別。
安全性方面，固態(tài)電池也會產(chǎn)生鋰枝晶問題，安全性非常令人擔憂。而且判斷它的安全性并不能通過電解質(zhì)是否易燃來判斷，最重要的問題是能量密度高的正極和負極直接接觸。
全固態(tài)電池可能會提高能量密度，其中一個原因是可以減少外部材料。但這不僅僅是全固態(tài)電池特有的特性。
快充方面，豐田論文、絕大多數(shù)研究人員并沒有確認過全固態(tài)電池可以進行快速充電的任何證據(jù)。他們都表示，在充電時候會形成鋰枝晶，越是了解全固態(tài)電池的人越是否認它可以快充這一點。
豐田近十年的專利大多是關(guān)于阻抗的專利。它從十年前開始就在研究這個問題，到現(xiàn)在為止還是一個很大的問題。
國內(nèi)電池廠的觀點：真正火災的蔓延與有機液體電解質(zhì)直接相關(guān)。固態(tài)電解質(zhì)從聚合物，到陶瓷電解質(zhì)等，都可以在不同程度上改善電池的安全性。固態(tài)電池在安全性、能量密度兩方面，相較過去常規(guī)的傳統(tǒng)鋰離子電池都得到提升，前提是我們要有好的技術(shù)解決界面的問題，保證固體電解質(zhì)能夠適應電池的設(shè)計，能夠滿足高比能量電池的要求。
我們認為固態(tài)電池確實在有些方面有優(yōu)勢。當隔膜和電解液用固態(tài)物質(zhì)取代后，它會有更高的安全性。當把整個體系的安全性閾值提高之后，這個體系可以采用高電勢正負極材料，如金屬鋰負極，未來也會有更高的能量密度。
目前的思路是，盡可能和現(xiàn)有的鋰電設(shè)備和鋰電工藝所兼容，把成本盡可能地降下去。由于固態(tài)電池具有高能量密度和高安全性，它可能在一些特殊情況先得到一些應用。
固態(tài)電池的能量密度優(yōu)勢在電芯層面相對不夠明顯，到PACK層面更為突出。到2021年固態(tài)電池通過采用更高利用率的活性材料，在電芯層面的能量密度將與液態(tài)電池持平，然后逐步超越。
盡管國內(nèi)海外專家對固態(tài)電池在能量密度、安全性等存在爭議，但他們基本上都認為，固態(tài)電池的研究室為了解決液態(tài)電池的一些不足，它的商業(yè)化應用是一個漫長的過程。因此固態(tài)電池可以先從摩托車、消費電子領(lǐng)域進行導入，待安全、性能、成本三個維度都成熟的條件下再進入電動汽車領(lǐng)域。
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