2011年—2018年9月間，我國(guó)電動(dòng)乘用車事故達(dá) 80 多例
其中 35% 由電池內(nèi)部短路引發(fā)
充電中的問(wèn)題，如過(guò)度充電，占 16%
另有18% 事故由機(jī)械外力引發(fā)，如碰撞
從333型到523型再到811型，市面上鎳鈷錳三元電池的正極材料比例越來(lái)越“失衡”，電池的能量密度越來(lái)越高，里程越來(lái)越長(zhǎng)，安全問(wèn)題卻也頻現(xiàn)，成為動(dòng)力電池發(fā)展過(guò)程當(dāng)中繞不過(guò)的一座“大山”。
煙霧、火災(zāi)甚至爆炸，都是最常見(jiàn)的鋰離子電池事故特征，而這些故障的根源大都來(lái)自于電池?zé)崃康摹笆Э亍?。如何將電池?nèi)的熱管理工作做好，為電池中的熱量分子們戴上“緊箍咒”，已成為未來(lái)解決動(dòng)力電池安全的必答題。
（文 | 本報(bào)實(shí)習(xí)記者 黃珮）
電動(dòng)車自燃事故頻發(fā)
電動(dòng)汽車事故儼然已不是什么新鮮事。1月30日，長(zhǎng)沙市雨花區(qū)鑫天佳園小區(qū)5棟架空層處，一排正在充電的電動(dòng)車突然起火，7輛電動(dòng)車瞬間被燒成骨架。對(duì)此，充電樁公司維護(hù)工作人員翁師傅認(rèn)為，“可能是電動(dòng)車自燃引起的，因?yàn)槌潆姌队凶詣?dòng)斷電關(guān)閘的功能?！?018年8月，該小區(qū)安裝了兩臺(tái)智能充電樁，每天都有幾十臺(tái)車在此充電。
時(shí)值寒冬，動(dòng)力電池尚且“控制”不住自己燃燒的“心”，在火熱難擋的盛夏就更“難以自制”了。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2018年8月，僅半個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了6起電動(dòng)汽車起火事件：8月19日，深圳一輛微型電動(dòng)面包車在充電過(guò)程中起火；8月22日，山東聊城一輛快遞電動(dòng)貨車著火；8月25日，成都一輛威馬EX5在威馬汽車研究院園區(qū)內(nèi)發(fā)生自燃；8月26日，安徽銅陵一輛安凱電動(dòng)客車在路邊起火；8月28日，一輛正在充電的廂式電動(dòng)車起火；8月31日，廣州街頭一輛力帆650EV起火……
動(dòng)力電池的自燃“屬性”令人不得不對(duì)新能源汽車的安全性打上一個(gè)“問(wèn)號(hào)”：動(dòng)力電池到底因何而自燃？中國(guó)汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳提供的數(shù)據(jù)顯示：2011年—2018年9月間，我國(guó)發(fā)生的電動(dòng)乘用車事故達(dá)80多例，其中35%是由電池內(nèi)部短路引發(fā)的；16%則是在充電過(guò)程中出現(xiàn)的，比如過(guò)度充電；18%為機(jī)械外力因素的影響，如碰撞；還有3%為進(jìn)水；剩下的則是由不明原因造成的。
電池?zé)崾Э厥恰白锟準(zhǔn)住?
“鋰離子電池安全與否，歸根到底取決于電池能否避免熱失控?！蔽錆h大學(xué)教授艾新平介紹，在鋰電池中，除了我們熟知的正常充放電反應(yīng)外，還存在著潛在的負(fù)反應(yīng)。在電池的正常溫度和正常電壓范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生這些負(fù)反應(yīng)；但當(dāng)電池溫度過(guò)高或充電電壓過(guò)高時(shí)，比如碰撞、短路和過(guò)充，這些負(fù)反應(yīng)就會(huì)被引發(fā)。此時(shí)電池內(nèi)的熱量如果得不到及時(shí)疏散，就會(huì)引起電池內(nèi)溫度和壓力急劇上升。
“溫度越高，電池負(fù)反應(yīng)的反應(yīng)速度就越大，最終導(dǎo)致電池進(jìn)入一個(gè)無(wú)法控制的自加溫狀態(tài)，也即熱失控狀態(tài)。它是導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸和燃燒的主因。”艾新平進(jìn)一步解釋。
“在電池正常放電的情況下，我們通過(guò)測(cè)量不同充放電倍率下的物理產(chǎn)熱現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)作所產(chǎn)生的熱量如果不及時(shí)導(dǎo)送出去，就會(huì)使電池體系溫度升高，引起電池的化學(xué)反應(yīng)，最后造成電池的失控?！敝袊?guó)科技大學(xué)教授孫金華對(duì)此持相同觀點(diǎn)。
據(jù)了解，目前市面上能被工業(yè)化應(yīng)用的電池種類主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等，其主要區(qū)別就在于所使用的正極材料不同?！安捎貌煌恼龢O材料，鋰離子電池的安全性就不同。”艾新平解釋，這是由于正極在電池中所占的質(zhì)量比是最大的，常規(guī)來(lái)說(shuō)放熱量也是最大，“因此正極材料的選擇對(duì)電池的安全性影響非常大?！?
三個(gè)層面進(jìn)行熱管理
“要提高電池的安全性，需從三個(gè)層面入手。一是材料層面，二是單體層面，第三個(gè)層面是系統(tǒng)層面?！卑缕浇榻B，在材料層面，要重點(diǎn)提高材料和界面的熱穩(wěn)定性，降低其產(chǎn)熱量；在單體層面，除優(yōu)化電池?zé)嵩O(shè)計(jì)外，更重要的是發(fā)展熱保護(hù)技術(shù)，如PTC電極、熱關(guān)閉隔膜等；在系統(tǒng)層面，則需重點(diǎn)開(kāi)展隔熱設(shè)計(jì)，防止熱擴(kuò)展。
研究表明，在對(duì)電池系統(tǒng)的熱分析中，磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定性從材料上來(lái)講是最好的?！半姵氐陌踩允紫热Q于自身材料的安全性?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)特聘教授馬紫峰指出，要增加電池的安全性，高能量的電池就可能需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中加入特定的保護(hù)裝置，比如說(shuō)冷卻系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等。
在單體層面，除了常規(guī)的熱安全設(shè)計(jì)外，更重要的是要建立單體自激發(fā)熱保護(hù)?！白寙误w能根據(jù)自身感受的溫度，調(diào)整自己的電流輸出或功率輸出。電池如果可以關(guān)閉反應(yīng)，其產(chǎn)熱也就終止了?！卑缕街赋?，PTC熱敏電阻材料的一個(gè)重要特征就是溫度升高到一定程度時(shí)，該材料就會(huì)從一個(gè)良好的導(dǎo)電態(tài)變成絕緣態(tài)，這將是單體熱保護(hù)技術(shù)中的重要路徑之一。
除材料和單體的影響，系統(tǒng)也是電池安全性熱管理中不可缺失的一環(huán)。“在系統(tǒng)中，對(duì)電池狀態(tài)的估計(jì)非常重要，要用數(shù)學(xué)模型將其精確描述出來(lái)，并與電池的模型中的材料化學(xué)體系對(duì)應(yīng)起來(lái)。”馬紫峰表示。
“提高材料或界面的熱穩(wěn)定性，開(kāi)發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴(kuò)展防范技術(shù)，可有效改善電池系統(tǒng)的安全性，未來(lái)需加強(qiáng)研究。”艾新平表示，電池的安全性問(wèn)題將伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴(yán)峻，但不應(yīng)由此否定動(dòng)力電池技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(shì)，正確面對(duì)并積極探索一些新的安全性技術(shù)，以促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步。
劃重點(diǎn)：
★ 鋰離子電池安全與否，歸根到底取決于電池能否避免熱失控。
★ 當(dāng)電池溫度過(guò)高或充電電壓過(guò)高時(shí)，比如出現(xiàn)碰撞、短路和過(guò)充，負(fù)反應(yīng)就會(huì)被引發(fā)。此時(shí)電池內(nèi)的熱量如果得不到及時(shí)疏散，就會(huì)引起電池內(nèi)溫度和壓力急劇上升。
★ 想要提高電池的安全性，需從三個(gè)層面入手：材料、單體、系統(tǒng)。
