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王子冬:动力电池安全问题如何解决?能量密度与安全性需要平衡优化

2019-07-17 浏览次数:1,683 次 盖世汽车

今年,电动汽车的安全问题有点儿多。

根据国家市场监督管理总局的数据,2018年国内至少发生40起涉及新能源汽车的火灾事故,今年4月起,又接二连三发生电动汽车起火冒烟事故,动力电池安全性是一个敏感的话题,又是一个不能回避的话题。

近日,中国动力电池创新联盟副秘书长、中国电动汽车充电基础设施充电联盟副秘书长王子冬在首届中国国际电动汽车安全技术创新大会上对电动汽车安全性问题进行了多维度剖析。他认为,动力电池在材料上没有明显技术突破前,比能量发展到一定水平后,就很难再有进一步的突破。与此同时,在安全性方面的负面影响却越来越大。在没有掌握锂电池起火规律之前,把控能量密度与安全性和长寿命的平衡关系是不能忽视的问题。

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中国动力电池创新联盟副秘书长、中国电动汽车充电基础设施充电联盟副秘书长王子冬

动力电池技术路线之争

这个问题由来已久,这也正是能量密度与安全性的博弈。

王子冬表示,“我们必须承认,电池组是一种含高能物质的部件,具有危险性的本质,而且,随着电池比能量和比功率的提高,发生事故的危险性将增大。”

在锂电池众多的技术路线中,磷酸铁锂与三元的对决最为胶着。

磷酸铁锂安全性高、寿命长,但是能量密度不如三元高,但可以通过提高电池容量加以弥补,低温性能差,主要是在小容量电池上低温性能低,材料一致性也差。

三元电池能量密度高,一致性好,低温性能好,但是安全性略差,循环寿命远不如磷酸铁锂电池。

“当前,在中国磷酸铁锂电池具有最成熟的产业链,我们对相关领域掌握的核心技术也比较多,而三元电池则以日韩为代表,相对更成熟一些。”王子冬认为,这种技术路线的对决,更有一种中国vs日韩的意味。

如果单从动力电池本身的性能来评价,他列举了10个维度:1.电池组的安全性、2.电池组的能量密度(而非单体)、3.电池组的循环寿命、4.电池组的成本、5.充电倍率、6.电池单体一致性、7.低温性能、8.成组利用率、9.回收再利用的方便性、10.正负极材料可回收修复再利用。

作为一种能够引领潮流的技术路线,在以上任何一个方面都不能有太过鲜明的缺点,需要做到各方面的均衡才是一种具有可行性的路线,而不是某一个单一性能指标高,比如说能量密度。

因此从以上10个方面分析对比,在这场对决中,三元和磷酸铁锂惨烈厮杀,痛苦角逐,互有胜负,也有平手,在这10场对决后,王子冬个人裁判,给出一个简单的最终结论:在乎安全性、能量密度要求不是很高的场合,首选磷酸铁锂电池。

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动力电池的天花板在哪里?

在王子冬看来,对提高动力电池能量密度需要有清醒的认识:能够产业化的电动车用动力电池的性能提高,不仅仅是正负极材料性能上需要有幅度改进,同时在许多方面都需要有比较大的突破,才有可能实现动力电池真正意义上的提高。

那么从产业化动力电池的定义来说,国家提出的目标是:到2020年实现电动车充电一次可以跑400km,单体电池比能量达到:300Wh/kg(350)、600Wh/L(700)、0.6元/Wh,电池系统达到:220Wh/kg(260)、300Wh/L(380)、1.0元/Wh,循环寿命1500次(80%DOD)。

王子冬表示,从指标数据上看,要想实现这些指标难度还是比较大的。

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目前国内动力电池企业产品概况是:磷酸铁锂方面,规模化生产的能量型磷酸铁锂动力电池能量密度大致在140-180Wh/kg之间。三原材料方面,规模化生产的用于纯电驱动的三元正极锂离子动力电池能量密度大致在180-260Wh/kg之间。

从技术角度推论,如果电池组比能量要达到260Wh/kg,按照10KWh/kg/100km的能耗计算,形势400km的电动车40KWh电池组电芯重量不能超过99.5kg,电池组的总重量不能超过153kg,软包装电芯的比能量需要超过402Wh/kg,难度可想而知。

由此可以推出,比能量达到350Wh/kg的电池(如果能做出来的话),需要做成大容量(80Ah以上)的铝合金硬壳动力电池,这样可以节省模块化后占掉的重量,40KWh电芯总重量要控制在114.3kg以内,只能占电池组重量比74.7%,其余的铝合金箱体(25kg)、热管理系统(2kg)、连接件和固定件(11.7kg)等的总重量不能超过38.7kg,站电池组的重量比25.3%,电池组总重量才能不超过153kg,电池组的比能量才可以达到262Wh/kg。

“为什么大家一提到高能量密度就想到软包装电池?从车辆工程的角度是看动力电池系统的能量密度,而非单体电池的能量密度。从单体电池到模块,再到系统集成,中间环节比较多,电池之间的连接件、模块之间的连接电缆、箱体、固定架、支撑架、导热结构等等,这些都会增加许多重量”,王子冬提出,需要在系统能量密度、可靠性及安全性方面做优化。

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动力电池的安全性

我国动力电池行业经过十年积累,已经有了非常大的提升,特别是对动力电池的理解和认识方面,应对当下的电动汽车使用,应该说是能够胜任的。

现在的动力电池在材料上,如果没有明显技术突破前,比能量发展到一定水平之后,就很难再有进一步的突破,与此同时,在安全性方面的负面影响却越来越大。“许多人曾经问我,燃油车还经常起火呢,且比电动汽车多,为什么对电动汽车要求这么高呢?”王子冬表示,这里有一个概念需要说清:燃油车的着火是能够找到规律的,与许多已知因素有关,关键一点是燃油车的易燃物是燃油,是被密封在一个与外界隔绝的环境里,与氧气(助燃剂)和火源分开,这种隔绝条件一旦被打破(如管路老化漏油遇到发动机高温),就会出现事故。

而动力电池系统的易燃物是电解液,它与助燃剂氧气(正极材料遇到高温时会分解生产氧气)和火源(内短路、过充都会产生高温)被密封在同一个容器环境里,因此它的安全不确定性也就显得尤为突出。

王子冬就此打比方说,感冒与2003年SARS病毒谁对人类造成的伤害大?当然是感冒,但是人类恐惧SARS,因为对于SARS病毒,我们当时没有可以治疗的药物。因此,在没有掌握锂电池着火的规律前,把控能量密度与安全性和长寿命的平衡关系是不能忽视的问题。

1、如何认识动力电池?

动力电池出生前就需要事先考虑好:电池模块和电池组(系统)的可组装性设计、可安装性设计、可维护性设计、可调整性设计、回收可方便拆解性设计等。

这些性能的设计非常重要,不能把电池都造出来灾区解决这些性能问题,锂电池生来就是“爆”脾气,为什么锂电池会变身“定时炸弹”?

锂离子电池主要由六部分组成,分别是正极、铝箔、负极、铜箔、隔膜、电解液。

电池内部的电解液含有大量有机物,比如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、磷酸二甲酯。这些家伙一个个都自带燃爆属性,脸上写着“远离火源”四个字。此外,电池的正负极一旦短路,就会大量发热,甚至产生火花,所以,人们自然就会想到要用个东西把正负极隔起来,于是就引入了隔膜。

电池隔膜被减薄后,这层薄膜一旦破损,问题就会很严重。锂电池本身也暗藏着刺穿隔膜的隐患,这类现象叫“枝晶”,这个问题是一种写在锂电池基因里的病,锂电池在使用过程中,电极表面会形成一些小毛刺,这些小毛刺就叫“枝晶”,而且枝晶会越长越大,最终就会穿透隔膜,造成短路。

越薄的隔膜、可燃的电解液、暗流涌动的会自己生长的枝晶、高温时材料分解会自动分离出氧气,整个锂电池就像是把火药桶、助燃剂、打火机关在一个小屋子里,然后用一层保鲜膜隔开,让谁去想都会胆战心惊,现在,最关键的是要控制住“打火机”。

2、如何保证动力电池系统的安全性?

电池系统的安全必须由电芯来解决,电芯要保证安全,就必须采用更稳定的材料,更安全的设计。

王子冬表示,现在是刻意放低电芯的安全要求,降本、提高能量密度,在做热失控传播实验时就很难通过,评估整车的安全性还是应该在源头上的基本安全要求要把握好,在电芯层面的安全性上,选用更厚的隔膜,在电芯提高能量密度的设计上不应该通过减薄隔膜厚度实现。

电池组充电时的安全管理是关键!由于动力锂电池成组使用最关键也是最核心的问题:一是安全、二是寿命,特别是在快速充电时,电池组内电池的差异加大,如何解决电池组的使用寿命,面临巨大挑战。

影响电池安全使用和循环寿命的因素,除了电池自身工艺性和产品质量外,至关重要的一个问题是:电池成组充电时的安全性管控和热管理技术。没有完善的电池成组安全性管控和热管理技术,电池的安全性和长寿命循环就无法保证,因此,动力电池充电的管理系统与电池自身的安全同等重要。

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3、快速充电技术对动力电池要求很高

关于充电速度问题,大家都希望能够实现快速充电,当前的高能量型动力电池充电速度可在约40-60分钟内补充80%的能量,对于城市内通勤交通工具,并不构成电动汽车真正的使用障碍,但是对于希望用电动车解决城市之间的交通问题恐怕就有些问题了。

从快充到超快充(200-400kW),实现10分钟内补充90%的能量,将有效缩短电动汽车与内燃机汽车之间的差距。

王子冬表示,目前的设计方案是,减少电极的厚度、改变电池结构、以及更适合快充的材料选择,这些都将增加动力电池的生产成本,同时降低其能量密度,还会降低动力电池系统的寿命,需要从整体考虑进行优化。

另一方面,如何减小电池组在快充过程中单体电池之间的差异,就需要合理的热管理系统设计,以提高动力电池的使用寿命。

4、动力电池的安全性问题如何解决?

王子冬认为,新能源汽车安全事故主要由动力电池热失控所引起,热失控不仅仅是结果,原因也错综复杂,事故源头难以明确,安全性问题应得到高度重视。

业界不断反思安全问题,盲目追求高能量密度成为焦点,专业人士指出,理论上电池能量密度与安全性成反比,企业追求高能量密度,安全问题随之暴露,虽然未能明确已发生的起火事件与追求能量密度存在多大相关性,但随着高镍三元电池进入市场,新能源汽车面临更高的安全技术要求。

如何在高能量密度和提高安全性间取得平衡,成为当前业内亟待解决的一大难题,各个企业则从单体电芯、模组设计和电池包的结构设计多个层级提高整体安全性。

提高动力电池的安全性主要是从三个层级来做,包括单体电芯、模组设计和电池包的结构设计来提高整体安全性,单体电芯方面,可以通过在电解液中加入添加剂降低其易燃性,提高隔膜耐温性,或者提高正极材料稳定性等方式来改进,模组设计方面,通过加强温控设计,BMS充电管理或者改变单体连接方式提高安全性,车辆层面,可以通过电池的位置摆放以更好地散热,改进充电方法,减少由于充电不当造成安全隐患。

既然电池组是一种含高能物质的部件,具有危险性的本质,而且,随着电池比能量和比功率的提高,发生事故的危险性将增大。故此,就需要研究能量密度与安全性这对矛盾的平衡,包括材料性能的平衡,电池模块结构的平衡,电池组系统级别的平衡,成本可接受性的平衡,考虑多级利用过程中的平衡,动力电池材料回收过程中的平衡。

解决途径的研究包括:材料性能的匹配优化,电池模块结构设计的优化,电池组系统与车身一体化设计,生产制造成本的控制,推广多级利用摊薄应用成本,鼓励动力电池材料修复再利用。

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