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新能源车电池高快充和安全性难兼得?专家解释来了

2021-04-28 浏览次数:1,332 次 第一财经

伴随新能源汽车行业的快速发展,“充电焦虑”“续航焦虑”被不断放大,如何实现短充电、长续航已成为业界角逐的焦点。然而,电池快充性能的提升,往往也意味着电池起火的风险加大。

27日,在2021中国(安徽)科技创新成果转化交易会举办的“新能源与智能网联汽车产业链创新链协同发展”分论坛上,欧盟科学院院士、火灾科学国家重点实验室副主任孙金华表示,以锂离子电池为动力电池的新能源汽车的火灾发生率虽然没有公众设想的那么高,但随着国内锂离子电池的产能和应用的加速发展,近年来,锂离子电池引起火灾的频率、规模和损失程度都呈现快速增长的态势。

“在新能源汽车领域,中国已实现了‘弯道超车’。而作为主要的动力电池,锂离子电池的应用也将在未来几年迎来更大的爆发期。”他表示,目前,中国已成为全球最大的锂离子电池生产国,承担了全球73%的锂离子电池产能,并不断提高其性能。然而,根据中国新能源汽车动力电池比能量发展的趋势,这就意味着在技术层面,要不断提高电池的能量密度和快充水平。

要解决锂离子电池的安全问题,在孙金华看来,首先要厘清锂离子电池着火的共性与特征,再对症下药。

为此,他列举了一组近年来国内电动汽车火灾发生的统计数据。该数据显示,按电池材料类型划分,2018年,六成起火的锂离子电池为三元电池,磷酸铁锂仅占5%;按汽车所处状态划分,从时间角度衡量,2019年,电池在充电和行驶状态着火的可能性较高;按月份划分,2019和2020年间,6~9月为火灾高发期。

对于三元电池起火概率大的原因,孙金华进一步解释称,在不同正极材料的锂离子电池热失控释放的可燃气体中,三元电池产生的可燃气更多。

所谓的电池热失控,即是指电池产生的热量大于释放的热量,进而导致热量积累、温度迅速升高的过程。而锂离子电池的热失控,主要是由电极和电解液间的化学反应引起。孙金华团队研究显示,可燃气中含有大量电解液。

对于充电失火的事故原因,此前,中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高曾公开解释称,一般来说,如果放电到一定程度之后,电池不会出现热失控,热失控一般都是在满电状态发生。所以,在过充电时,热失控容易被引发。同时,充电状态下,电池与充电系统连在一起,进一步加大了热失控的可能性。

“此外,电池起火的危害性也不容忽视。”孙金华称,满电状态的电池,其热释放速率的最大值远高于一般原油和PMMA,仅比汽油略低。

他还表示,对于锂离子电池火灾的危险性判断,还需要考虑到起火的难易程度,具体来说,即是对热失控的临界温度和热释放速率峰值进行评估。

而聚焦到新能源汽车上,他称,由于其动力系统并非是单体电池,而是多个电池串并联形成的模组。故而,一个电池着火,其火焰如何传播、对于周围电池产生何种影响也需纳入判断范围。

研究表明,当电池间距离大约2mm时,将由热传导主控转为辐射主控。而在敞开空间电池模组中,热失控传播的热量主要来自于热传导,火焰辐射影响较小。同时,对于着火的电池,只要将12%的能量传导到相邻电池,就会引起该相邻电池的着火。

为保证锂离子电池的本体、过程和消防安全,孙金华建议,要构建起锂离子电池安全的三道防线。

其中,第一道防线是构建本体安全型电池体系,以降低火灾发生的概率;第二道防线是研发多信号融合电池多级预警技术,以实现火灾隐患等及早发现并及时处置;第三道防线是研发高效灭火抗复燃技术,以防止事故的扩大。

展望新能源汽车动力电池的发展,孙金华认为,在具体技术方面,电池的安全性是基础也是发展目标。为此,对于锂离子电池,聚焦于安全电解波的研究还远远不够,需要从全电池材料体系的安全加以研究;而对于新型电池,高安全、高能量密度、低成本的电池是未来发展方向。

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