從波音787起火到威馬試裝車自燃 構(gòu)建鋰電“護城河”有多難？

近日,威馬汽車一輛經(jīng)過多輪試驗報廢的早期試裝車自燃,引發(fā)了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注,再次將鋰離子電池的安全問題推向了輿論的風口浪尖。

以下為部分網(wǎng)友熱議:

事實上,近些年來手機和筆記本電池燃燒爆炸早已不能吸引眼球,電動汽車爆燃和鋰電工廠的大火才算是新聞。前有波音787“夢幻”客機鋰電池起火,后有三星SDI天津工廠廢舊電池起火,一波未平一波又起的鋰電池安全事故不得不讓鋰電產(chǎn)業(yè)警惕。

而要解決鋰電安全問題,首先要知道鋰離子電池安全事故產(chǎn)生的原因。

鋰離子動力電池的安全性主要取決于基本的電化學體系以及電極/電芯的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和生產(chǎn)工藝等內(nèi)在因素,而電芯所采用的電化學體系則是決定電池安全性的最根本因素。

無法根治的鋰電安全性隱患

鋰電池在過充過放、快速充放電、短路、機械濫用條件和高溫熱沖擊等情況下,容易觸發(fā)電池內(nèi)部的危險性副反應(yīng)而產(chǎn)生熱量,直接破壞負極和正極表面的鈍化膜。當電芯溫度上升到130℃以后,負極表面的SEI膜分解,導致高活性鋰碳負極暴露于電解液中發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生的熱量使電池進入高危狀態(tài)。

當電池內(nèi)部局部溫度升高到200℃以上時,正極表面鈍化膜分解正極發(fā)生析氧,并繼續(xù)同電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量并形成高內(nèi)壓。當電池溫度達到240 ℃以上時,還伴隨鋰炭負極同粘結(jié)劑的劇烈放熱反應(yīng)。

由此可見,溫度控制對鋰電安全性具有重要意義。值得一提的是,在鋰電池的熱失控中,直接原因是負極表面SEI膜的破損從而導致高活性嵌鋰負極與電解液的劇烈放熱反應(yīng),正極材料的分解放熱只是熱失控反應(yīng)其中的一個環(huán)節(jié),因此所謂磷酸鐵鋰(LFP)因熱穩(wěn)定而更安全的說法是有失偏頗的,其安全性也只是相對而言。

值得一提的是,鋰離子電池的安全性隱患是其電化學體系所決定的,即便再出色的電池管理系統(tǒng)(BMS)也無法從根本上解決鋰離子動力電池的安全性問題。

盡管鋰電安全隱患無法根治,但我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^諸如熱控制技術(shù)(PTC 電極)、正負極表面陶瓷涂層、過充保護添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等等等技術(shù)的綜合性應(yīng)用來有效的改善鋰電的安全性。

此外,電芯的失效只是整個電池系統(tǒng)安全隱患的一小部分。站在模組的角度,由于電芯結(jié)構(gòu)、工作方式和環(huán)境等多方面的因素會使得電芯的安全隱患加倍的體現(xiàn)出來,因此動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管控的嚴密性等等才是更加重要的部分。

這也是為什么市場上無法直接買到鋰電池電芯的原因,電池芯生產(chǎn)商只會向經(jīng)過授權(quán)的Pack公司銷售自己的電芯,再由Pack公司將電芯與保護板封裝成電池包出售給電器生產(chǎn)商而不是消費者。此外,電池包必須與專用的充電器搭配并嚴格按照規(guī)定的方法使用,其實研究一下眾多的電動汽車充電自燃事故,不難發(fā)現(xiàn),很大一部分自燃事件都是使用者沒有嚴格按照充電要求進行操作。

固態(tài)電池會成為電動汽車安全問題的“救世主”么?

面對鋰電池帶來的安全隱患,整個新能源產(chǎn)業(yè)鏈都花盡了心思,也取得了一定效果。從鋰電安全防護途徑來看,主要分為兩個層面:一是防止電池失效的產(chǎn)生,二是防止失效電池的擴散。

前者比較好理解,大部分措施及研發(fā)都是為了達到這個目的,但筆者在前文中已提及,電芯的安全隱患是無法根除的,因此將電芯失效的危害控制在單個電芯內(nèi),防止其擴散甚至產(chǎn)生安全事故就顯得尤為重要,而在這個過程中,BMS扮演著核心角色。值得一提的是,特斯拉動力系統(tǒng)一直被業(yè)內(nèi)人士津津樂道的原因也正是其強大的BMS系統(tǒng),真正論及電池技術(shù),特斯拉反而不值一提。

此外,當前越來越“吸睛”的固態(tài)電池,也是鋰電安全的質(zhì)變所在,甚至不少人將其作為電動汽車安全問題的希望所在。包括豐田、松下、三星、三菱、寶馬、現(xiàn)代、戴森、博士以及鋰電池之父約翰·古迪納夫的團隊都宣布正在開發(fā)固態(tài)電池;而在國內(nèi),寧德時代已做出表率,在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關(guān)的研發(fā)工作并取得了初步進展,并在規(guī)?；a(chǎn)上提出了初步的工藝路線。

其實固態(tài)電池本身并不是什么新興技術(shù),早在2010年左右就有產(chǎn)品問世。所謂固態(tài)電池,就是通過采用固態(tài)電解質(zhì),一方面可以提升電壓平臺,進一步提升電池能量密度;另一方面在固固反應(yīng)中可以減少氣體排放,大幅提升鋰電池的安全性能。

盡管固態(tài)電池的前景空前美好,但其量產(chǎn)之路卻困難重重,其中最主要瓶頸是固態(tài)電解質(zhì)的導電率、內(nèi)阻、界面阻抗及相容性等等。因此,現(xiàn)階段各大企業(yè)的研發(fā)重點是固態(tài)聚合物電解質(zhì)、無機固體電解質(zhì)的設(shè)計及制備技術(shù),固/固界面構(gòu)筑及穩(wěn)定化技術(shù);并在此基礎(chǔ)上完善電池生產(chǎn)工藝及專用設(shè)備的研究,來實現(xiàn)產(chǎn)品的量產(chǎn)。

清陶(昆山)能源發(fā)展有限公司總經(jīng)理李崢博士表示,固態(tài)電池從技術(shù)成熟到工藝成熟,再到產(chǎn)品成熟需要一個過程。從今年開始,固態(tài)電池會陸陸續(xù)續(xù)應(yīng)用到手機數(shù)碼、穿戴設(shè)備及一些特殊領(lǐng)域上,2019-2020會開始形成規(guī)?；?這里的應(yīng)用是實實在在被老百姓使用);同時2020年,固態(tài)電池會在汽車上做示范運營,并在2025年左右大規(guī)模應(yīng)用。

固態(tài)電池確實能使鋰電在安全性上完成質(zhì)變,但固態(tài)電池距其量產(chǎn)應(yīng)用還有一段不小的距離,遠水難解近渴。當下更應(yīng)該考慮的是如何通過結(jié)構(gòu)升級、工藝改善等措施進一步來保證動力電池的安全性能。

當前新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的安全性隱憂

雖然任何一家電池企業(yè)都在反復(fù)強調(diào)安全性是產(chǎn)品研發(fā)的首要目標,但隨著補貼政策的調(diào)整以及電動汽車市場的需求,能量密度在產(chǎn)品中扮演著越來越重要的位置,尤其是電池本身就是一個講究綜合性能的產(chǎn)品,單純的提升單一性能,難度并不大。在市場和政策的雙輪驅(qū)動下,很難保證電池安全性會受到最大程度的重視。

一個擺在眼前的事實是,Apple手機的電池容量一直被消費者詬病,相較于華為、oppo、Samsung等品牌來說,Apple的電池容量確實不夠看,但其安全和抗衰減性能卻非常出色。Apple并不是不能配備更高容量的電池,只不過出于安全性的考量,犧牲了部分能量密度而已。

事實上,國外的電池企業(yè)往往會為了最大化的安全性能,從而犧牲部分電池容量,其續(xù)航里程的領(lǐng)先更多是基于出色的電池包及動力系統(tǒng)總成設(shè)計。反觀國內(nèi)其實很尷尬,在滿足所謂的安全標準的基礎(chǔ)上,幾乎將能量密度提升到極限,而這種現(xiàn)象還有愈演愈烈的趨勢。

當前,排名靠前的電池企業(yè)都在追求811型號的高鎳三元鋰電池,誠然高鎳意味著更可觀的能量密度以及減少鈷價對電池成本的影響,但同時也意味著更高的技術(shù)壁壘和更嚴苛的生產(chǎn)工藝。比較諷刺的是,目前國內(nèi)電池生產(chǎn)的一致性頗有些不堪入目,很難想象同一批次生產(chǎn)的成品會出現(xiàn)A品、B品、C品、D品。

此外,與電池安全性息息相關(guān)的BMS系統(tǒng)也有待進一步提升。近年來,國內(nèi)涌現(xiàn)出上百家BMS企業(yè),但其技術(shù)來源其實只有2到3家,相對其他的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈,BMS投入相對較小,但其利潤巨大。于是不少“資深”BMS工程師,學會了一套方案后就出來創(chuàng)業(yè)(鋰電從來不缺資本),這導致了鋰電BMS領(lǐng)域百家爭鳴,卻只有一兩套方案打天下。當然,隨著動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,不少裸泳者已經(jīng)被淘汰,但國內(nèi)BMS技術(shù)與國外仍存在著較大差距。

筆者想要強調(diào)的是,在生產(chǎn)工藝及電池管理系統(tǒng)相對落后的情況下,一味的強調(diào)能量密度,會不會有點過猶不及。畢竟對電動汽車的消費者而言,想要的是絕對安全,而不僅僅是安全達標。當然,能在保證安全的前提下,沖擊更高的能量密度,筆者自然是樂見其成的。