鋰電池方便了生活,也可能摧毀生活。

幾天前央視的《今日說法》欄目報道了2017年三星Note4一起自燃事故,導致4歲的小女孩臉部燒傷。三星手機因為自燃問題甚至一度被禁止帶上飛機。

不自燃的動力電池是怎樣煉成的? 新聞 第1张

如果說一塊3500毫安時的手機電池自燃可能使你受傷,那麼16kWh起步,最高超過80kWh的純電動車自燃帶來的後果將會更加可怕的後果。

而特斯拉的電池事故卻好像一直都沒有斷過,早前香港也發現疑似特斯拉Model S電池起火事故,該車輛於2015年9月落地使用。

不自燃的動力電池是怎樣煉成的? 新聞 第2张

不自燃的動力電池是怎樣煉成的? 新聞 第3张

回顧最近出事的車型基本都是在2013-2015年間投放市場的初代Model S,電池使用均超過4-6年。

不自燃的動力電池是怎樣煉成的? 新聞 第4张

Model S的“第一燒”是出現在2013年10月——一輛Model S在行駛中底盤剮蹭到尖銳物體,隨即車輛發出警報,車主棄車逃離,20分鐘後車輛開始熊熊燃燒,Model S被燒剩下車架。

其實,“第一燒”就隱約透露出這類大容量鋰電池發生自燃的可怕後果,而背後的根本原因在於鋰電池的快充快放,不僅對電池損害很大,還對電池的熱管理要求非常高,而Model S正好完美對應了以上兩點。

電池安全是我們享受電氣化帶來便捷生活的大前提。為了保證電動汽車電池的安全性,無論是國家、電池廠商還是汽車廠商都為此做了大量的工作。

究竟今天我們看到的、正在使用的動力電池有哪幾種,而國家、主機廠以及動力電池廠商又是如何確保電動汽車的電池安全性,今天所長就來好好捋一捋動力電池的前世今生。

動力電池的今日

經過多年的發展,純電動車和混合動力車在2018年迎來了全面爆發。反應在動力電池市場上則是動力電池出貨量不斷的走高。

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2018年前10個月動力電池出貨量就已經超過了2017年全年,全年同比增長超過84%,裝機總電量達56.89GWh。

隨着2019年各老牌主機廠新能源車型不斷推出,以及新勢力車企的交付,預計2019年這個數字將繼續增長。

目前市場上新能源車型主要使用的電池有使用最廣泛三元鋰電池、安全穩定的磷酸鐵鋰電池以及豐田獨家的鎳氫電池。

對比2017年之前的電動汽車就可以發現,動力電池能量密度已經從103.3Wh/kg上升到了142.4Wh/kg,並且國家設定在2020年達到300kWh/kg的目標。讓動力電池能量密度提升如此巨大的根本在於三元鋰電池的廣泛應用。

使用三元鋰動力電池的車包括model 3、卡羅拉e+、比亞迪元EV等在內一眾主流新能源車型。

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三元鋰優勢在於能量密度高,目前最先進特斯拉松下的電池已經可以接近300kWh/kg,而寧德時代和比亞迪目前可以達到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上不如磷酸鐵鋰電池,被國家禁止使用在客運車輛上。

市場份額僅次於三元鋰的是磷酸鐵鋰電池,因為突出的安全性能,主要應用在商用車上,目前滿大街跑的電動公交車使用的主要就是磷酸鐵鋰電池。

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相比於三元鋰電池200度下就會發生電解質揮發,容易自燃,磷酸鐵鋰電池在800度下才會出現這種問題。然而電池密度目前最高的比亞迪也只能達到150kWh/h,曾經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。

現在磷酸鐵鋰電池能量密度已經接近理論極限值,提升空間不大。而且在-10度以下充電100次容量就會衰減不到20%,在寒冷環境下基本上難以使用。

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至於豐田獨家的鎳氫電池,雖然安全性和可靠性久經考驗,使用這么多年並沒有發生什麼電池方面的安全事故,然而豐田為這方面設立了太多專利壁壘,讓其他廠商難以使用。

鎳氫電池循環次數非常低,只能低充低放提循環次數,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,因此不能運用在混插車型和純電車型上。豐田的混插車型和純電車型也是使用三元鋰電池。

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依靠在三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池上廣泛的市場佔有率,寧德時代的2018出貨量超過依託特斯拉和豐田等純電混動車型全面熱銷的松下和主要供給自家車型的比亞迪,問鼎出貨量冠軍,在國內市場佔有率達到41.3%。

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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於劣勢,在降低補貼之後是否能保持現在的市場依然是個問號。當然作為寶馬在電池方面的合作企業,相信寧德時代有足夠的實力研發出價格更低更好的產品。

鋰離子電池是怎麼燃起來的

好了,講完動力電池的分類以及前世今生,現在就來聊聊市佔率最大的鋰電池,為何如此容易着火。

鋰電池起火根源在於熱失控。

鋰電池發生過熱自燃的原因主要內因和外因。內因主要是電池的老化,外因主要有:穿刺、碰撞、短路、外部過熱以及大功率放電和過充。

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鋰電池由正極、負極和只允許鋰離子通過的隔膜構成。電池在工作中會放出熱量,當升高到一定溫度後隔膜會發生熱閉合,令鋰離子不能通過,隔絕電池正負極,停止反應,防止電池過熱。

然而隔膜在超過一定溫度後會發生破裂,失去保護作用。當外部熱量導致隔膜破裂,或是穿刺、碰撞等物理破壞,甚至是因為老化負極形成的鋰離子晶體刺破隔膜,都會導致隔膜無法隔絕正負極,電池就會發生內部短路。

電池因為內部短路,正負極大面積接觸發生劇烈反應,放出大量的熱量,並導致這個過程不斷加劇,溫度繼續升高。

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而鋰電池使用的電解液在高溫下並不穩定,除了在高溫下會揮發形成氣體導致電池膨脹破裂,加劇了內部短路之外,在到達一定溫度之後會發生一系列分解反應,並且放出大量的熱量,這些熱量又會引起反應進一步加劇,最終產生自加熱效果。

當一塊鋰電池因為各種原因發生內部短路,放出的熱量可能會引起剩下電池的鏈式反應,最終導致大面積的熱失控。

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鋰電池使用電解液是具有揮發性和可燃的有機溶劑,在熱失控下會被點燃。最終呈現出來的正如幾起Model S自燃事故中的,突然冒出大量的煙,在很短時間內燃起大火,並且難以滅火。

國家強制標準保證安全

既然鋰電池存在問題,為了保證鋰電池在乘用車輛上的安全使用,國家對於乘用車蓄電池與蓄電池包括系統國家建立了兩套嚴格的強制標准,分別具有16項與10項安全測試項目,必須同時通過所有測試,符合兩項國家標準的電動車輛才能上市與消費者見面。

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不自燃的動力電池是怎樣煉成的? 新聞 第15张

所有的試驗都是在電池充好電的情況下測試,其中有幾個試驗比較暴力,所長詳細講一講,大家感受一下這份標準的嚴格程度。

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針刺試驗是使用直徑6-8mm的鋼針以25mm/s的速度垂直穿刺,並至少貫穿三個蓄電池,並且鋼針停留在蓄電池中,觀察一小時不能出現爆炸、燃燒、起火。

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加熱試驗是以每分鐘5攝氏度的速率升高到130度並保持30分鐘,停止加熱之後觀察一小時不能出現爆炸、燃燒、起火。

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溫度循環試驗是按照上表的溫度和持續時間調節溫度,循環5次,之後觀察一小時,還是不能出現爆炸、燃燒、起火。

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還有一個是外部火燒試驗,用一個尺寸大於電池系統的點燃油盆,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,然後蓋上蓋板隔板加了60秒或直接繼續燃燒60秒。離開火源之後若電池有火苗需要2分鐘之內熄滅。觀察2小時,不能出現爆炸、燃燒、起火。

事實上經過這些嚴格的標準的測試,電動車動力電池自燃起火的概率並不比燃油車輛高,對於有實力的主機廠生產銷售的純電動車或者混合動力車輛,大家在安全性方面還是可以放心的。

不斷提升的安全性能

除了電池本身國家強制標準的規定的安全性能,為了保證車輛的動力電池的安全,還有許多其他設備在保證其安全。

比如在2013年的特斯拉被穿刺電池燃燒之後,特斯拉重新設計了電池的外部保護的裝置。

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採用鋁合金和鈦金屬的材料打造出一個偏轉“盾牌”,既能防護正面的撞擊,也能偏轉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。

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還有一個避免電池過熱的重要設備就是電源系統的電源管理BMS算法,有效的電源管理算法能夠有效的避免過充情況的發生。因為電池電量不能被直接檢測,只能通過電流電壓估算,當電源管理策略因為天氣等原因出錯的情況下,很容易造成過充。

過充導致電池正極溶解、電解液被氧化分解,電池發熱並且膨脹破裂,最終起火。

現在世界各地不同的團隊都在研究更加先進有效的電源管理算法。一套優秀的電源管理算法不僅能夠及時發現電池過充避免過熱,還能夠識別是否發生內短路,對車輛人員發出警告,引導人員快速逃離。

甚至能通過主動散熱系統降低內短路部分溫度,最終實現在熱失控前控制溫度。

當然還有一個辦法就是使用主動溫度控制的策略,採用液冷循環系統包裹電池組。不僅能很好的避免因為電池溫度過高或者過低引起過充過放,還能令電池保持在適合的溫度區間,令電池充電處於最佳溫度,達到最好的快充的效果。

不自燃的動力電池是怎樣煉成的? 新聞 第22张

傳統的鋰電池隔膜使用單一的聚乙烯或者聚丙烯,在超過135度時就會出現隔膜破損,出現自燃的危險。新型的電池採用聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯復合隔膜,在更高溫度依然能保持隔膜阻斷功能。

除此之外,傳統的電池中電解質在高溫下分解,產生大量氣體與熱量,發生熱失控。通過往電解質添加磷酸酯類阻燃劑,能夠有效的中斷反應,組織燃燒反應。

這些不同的措施還有很多,並且還在不斷的根據用戶反饋和測試結果不斷改進。電動車的安全性並不會因為改變了動力系統而落後於燃油車。

作為未來的發展方向,有許多不同的公司、不同的技術團隊在為電動車的安全性能不斷的添磚加瓦。燃油車目前的安全性也是在不同的事故中總結改進的。未來隨着電動車更加廣泛的出現在我們生活之中,電動車的安全性必將得到更進一步提高。

所長有話說

電動車鋰電池的安全性並不低,而且還在一步步提高。

作為新出現的一種車型,消費者對電動汽車用比燃油車更高的標准去要求無可厚非。同時我們應該用一種發展的眼光看待電動車,而不是用保守的眼光一味地批判。

有的人說他能想到的最差的車就是國產純電動車。我對此只能說當汽車工業起步的時候沒有相信汽車能取代馬車。

特斯拉因為過於激進等原因,在安全方面其實一直表現不太良好,裝載Model S的7000多顆18650電池,對於電源管理系統簡直是噩夢。但是我們不能因此否定電動車,從目前市場上電動車電池安全技術已經遠遠超出這些18650電池組。

2019年新能源補貼下降對新能源汽車行業是個不好的消息,因為本身對於燃油車的價格優勢不再明顯。但是從另一個角度想這對於新能源汽車也能起到促進作用。

以往許多靠補貼過日子的企業只能被市場淘汰,而剩下的都是有足夠有研發能力、生產實力、製造實力的企業。對於電動車的安全來說,剔除了這些從“老頭樂”轉型過來的電動車企業能有效的提升國產純電動車的安全方面的平均水平。