高能量VS安全 動力電池首難如何破解？

近日,國家工信部公布了我國新能源汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù),2018年我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別完成了127萬輛和125.6萬輛,同比分別增長了59.9%和61.7%,其中純電動汽車產(chǎn)銷分別完成98.6萬輛和98.4萬輛,同比分別增長47.9%和50.8%。

在新能源汽車行業(yè)不斷蓬勃發(fā)展的同時卻也帶著些許遺憾,據(jù)公開資料顯示,2018年初到2018 年6月前新能源電池車在國內(nèi)共發(fā)生 6 次起火事故,進入夏季之后,6 月-8 月新能源汽車的起火事件數(shù)量大幅增加,起火車型中,特斯拉、北汽新能源等國內(nèi)外純電動汽車知名品牌均榜上有名。

傳統(tǒng)汽車的車輛起火原因多數(shù)與添加或使用汽油時有關(guān),部分也有因為電路問題而起火,而對于新能源汽車來說,雖然因為不使用可燃物而避免了燃料起火,但是由于鋰電池故障和電器短路也會引發(fā)起火。

“新能源汽車難做啊!”一位業(yè)內(nèi)人士在接受SMM采訪時這樣評價道,“如今的新能源汽車市場有三座大山,安全、成本、電池回收,其中,安全問題是擺在第一的重要難關(guān)?！?/p>

在政策導向和市場激烈的競爭之下,車企以及動力電池廠商迫切的需要電池的能量密度以達到長續(xù)駛里程,但是高能量密度帶來的是更高的安全風險,據(jù)業(yè)內(nèi)人士爆料稱,由于國家政策將動力電池高密度與補貼掛鉤,行業(yè)內(nèi)存在一些企業(yè)為了拿補貼,在技術(shù)尚不完全成熟且缺乏嚴格驗證的情況下,匆忙上馬高能量密度電池項目。由于這些電池開發(fā)時間短,尚不成熟,加之不斷縮短和簡化的驗證試驗環(huán)節(jié),各類產(chǎn)品問題隨之而來。

電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、中國工程院院士歐陽明高曾這樣評述,“很大一部分并沒有建立企業(yè)內(nèi)部的電池安全測試標注,部分企業(yè)甚至沒有電池安全測試能力?！彼J為,將補貼和動力電池能量密度掛鉤沒有問題,但要符合技術(shù)發(fā)展規(guī)律,對能量密度的提升不宜過快過頻,新能源汽車發(fā)展的節(jié)奏一定要穩(wěn)。那么,究竟是什么原因造成了動力電池的安全問題?

電芯安全:薄薄的隔膜撐起了整個電芯的安全

鋰電池,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜以及外部連接、包裝部件構(gòu)成。其中,電解液是易燃物,它與正極材料遇到高溫時釋放的助燃劑氧氣以及火源被密封在同一個容器之中,相比于傳統(tǒng)汽車易燃物和火源分開不同,易燃物、助燃劑、火源三者同處一室的設(shè)計讓鋰電池的安全不確定性更為的突出。

鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體,在電解液中含有大量的有機物,例如碳酸乙烯酯、碳酸丙 烯酯、碳酸 二乙酯。這些鋰電池電解液的優(yōu)良溶劑有毒、易燃、遇明火、高熱有引起燃燒的危險,同時,其液體或高濃度蒸氣有刺激性。目前,行業(yè)內(nèi)主流的做法是引入隔膜,將電池的正負極隔開。鋰電池的結(jié)構(gòu)中,隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一,其具有電子絕緣性,保證正負極的機械隔離,同時有一定的孔徑和孔隙率,保證低的電阻和高的離子電導率,對鋰離子有很好的透過性。

但是,隨著鋰電池向著高能量密度的趨勢發(fā)展,為了保證更多的能量供給,相比于更為重要的電解液,廠家只能削減隔膜的厚度,據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長王子東在中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟2018年度會議暨動力電池協(xié)同創(chuàng)新研表示,原本的主流鋰離子電池隔膜厚度有30至40微米,而現(xiàn)在僅僅只有12微米。

大幅削減隔膜厚度之后,若隔膜一旦破損,電池便會引發(fā)短路,值得的注意的是,鋰電池在使用的過程中,本身會在電極的表面形成類似毛刺一般的枝晶,隨著枝晶的疊加增大,扎破隔膜的風險也會越來越大。

電池系統(tǒng)安全:BMS監(jiān)控電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng),是以整車需求為核心,安全為基礎(chǔ),從電芯、機械機構(gòu)、BMS系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)這五個方面來開發(fā)的,在電池系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計之中,往往會考慮機械沖擊、擠壓、跌落、振動、模態(tài)五個方面。

蘇州正力蔚來新能源科技有限公司 BMS 開發(fā)經(jīng)理王志剛表示,目前,國內(nèi)電芯的技術(shù)雖然已經(jīng)很先進了,但仍然存在產(chǎn)品一致性差的問題。此外,電芯模塊里面,可能會存在一些很難被檢測出來的微短路。這些微短路,就像一個個小小的螞蟻穴一樣,對于一個大壩而言,它剛開始是不會有影響的。但是,電動車長期使用過程中,電池包經(jīng)歷過成百上千次充放電,或者因為進水以及碰撞等緣故,這些微短路會不斷變大,最后導致整個電芯模塊的短路,然后熱失控就發(fā)生了。

目前,業(yè)內(nèi)通常使用BMS來應對這個問題。BMS,即電池管理系統(tǒng),主要對象是二次電池,主要就是為了能夠提高電池的利用率,防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電,可用于電動汽車,電瓶車,機器人,無人機等。

而一旦電池出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,合格的 BMS 首先要能夠精準的檢測出來,識別出具體是哪個電芯模塊發(fā)生了熱失控。之后會馬上做兩件事:第一,強制啟動液冷系統(tǒng),以降低熱失控蔓延速度,延緩爆發(fā)時間;第二,跟整車系統(tǒng)配合,通知乘客趕緊逃離。但是,目前國內(nèi)的 BMS 還處于探索階段,王志剛表示,“目前國內(nèi)的 BMS 都還處于初級階段,只具備一些基礎(chǔ)功能,如顯示電壓電流,對充電放電進行管理等等。很多廠家推出的 BMS 其實都還沒有真正的熱失控管理功能?！?/p>

整車安全:牢固、絕緣

據(jù)東風汽車公司技術(shù)中心資料顯示,其對于電池系統(tǒng)安全設(shè)計要求有六點,分別為:電池箱本體、電池箱體絕緣墊、箱體密封墊、熱管理系統(tǒng)、零件固定支架和零部件固定螺栓。

首先,在電池箱本體之中,要求能夠在各種規(guī)定的工況下均能可靠地固定電芯的各個零部件;電池箱體絕緣墊中,要求有效可靠的起到絕緣的作用;箱體密封墊則起到了防護等級的要求。其次,在熱管理系統(tǒng)之中,要求在低溫環(huán)境下可以對電芯進行加熱,在高溫環(huán)境下對電芯進行冷卻,在動力電池系統(tǒng)工作時保證電芯的溫度一致性;零件固定支架則要求在各種規(guī)定的工況才均能安全可靠地固定電芯等各個零部件;最后零部件固定螺栓則保證在固定著的零部件不會有松動斷裂或腐蝕的現(xiàn)象。

要高能量密度?還是安全性?是困擾產(chǎn)業(yè)鏈上的一個大難題,在新能源汽車補貼臨近完全退坡的關(guān)口,如何兼顧兩者成為業(yè)界討論的話題,國家工信部副部長辛國斌曾表示,能夠產(chǎn)業(yè)化的電動車用動力電池的性能提高,不僅僅是正、負極材料性能上需要有大幅度改進,同時在許多方面都需要有比較大的突破,才有可能實現(xiàn)動力電池真正意義上的提高。這樣看來,技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展才是未來應對一切難關(guān)的基本前提。