新能源汽車“啞火炸彈”如何“拆”？

11月2日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021~2035年)》，明確指出，到2035年，純電動汽車將成為新銷售車輛的主流。

然而，近一個月以來，多起純電動汽車自燃事件，也讓公眾對其安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。不久前，一輛停放于北京市北四環(huán)附近的威馬電動汽車就在未充電的狀態(tài)下突然爆炸，威馬汽車回應(yīng)稱，初步調(diào)查系電池問題。

作為二次電池“王者”的鋰離子電池，為何頻頻“王炸”?中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓在接受《中國科學(xué)報》采訪時說，“電池從設(shè)計、生產(chǎn)到裝車、運行、報廢，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能引起新能源汽車起火爆炸。”

如何讓電池擁有更高能量密度的同時又更加安全?近日，《自然—能源》發(fā)布的一項研究成果引起了記者的注意——美國斯坦福大學(xué)教授崔屹團隊設(shè)計出一種新型集流體，在熱失控起火的情況下，嵌入的阻燃劑得以釋放，從而有效阻止電池繼續(xù)燃燒，使鋰離子電池變得更安全。

不過，要想讓鋰離子電池增“量”不增“危”，未來還有很多難題需要攻克。

能量密度增加為何難?

續(xù)航里程是新能源汽車之間較量的關(guān)鍵“砝碼”，增加鋰電池能量密度是緩解里程焦慮“痛點”的重要環(huán)節(jié)，然而增加鋰電池能量密度并非易事。

崔屹團隊研發(fā)出一種厚度約為9微米的輕型聚酰亞胺基集流體，用于替換現(xiàn)有的金屬集流體。這種新型集流體為三明治結(jié)構(gòu)，中間層是嵌入阻燃劑的有機物支撐膜，外層是約500納米厚的金屬層。

研究表示，這種新型集流體面密度比目前最輕的銅箔的面密度還要低，采用這種新型集流體可以最多提高26%的電池能量密度，并在熱失控起火的情況下，釋放阻燃劑，阻止電池繼續(xù)燃燒，降低電池燃燒的危險性。

李泓解釋稱，電池的理論能量密度由電池的電壓和單位質(zhì)量或單位體積的電池釋放出的容量決定。但是電池除了提供能量的正極和負極材料，還包含保證電池工作所需要的電解液、隔膜、集流體、外殼，而電池包外殼和散熱管等其他組件部分并不提供能量，因此電池的實際能量密度還需要乘以活性物質(zhì)的占比。

在李泓看來，提高鋰電池能量密度主要有三種途徑。一是提高電池的工作電壓，包括降低負極的電位和提高正極的電位。“我們的研究證明，通過Ti/Mg/Al三元素痕量共摻雜，可以顯著提升鈷酸鋰材料在4.6V高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。”

二是提高電池材料的比容量，例如負極從石墨到硅碳負極再到未來的含鋰負極，正極從較低容量的磷酸鐵鋰邁向高鎳層狀正極材料，均旨在得到更高的電池比容量。此外，還可以通過降低電池內(nèi)部非活性物質(zhì)的占比來提高鋰電池能量密度。

然而，在李泓看來，“動力電池技術(shù)發(fā)展至今，以上三種思路的技術(shù)發(fā)展均已深入到一定程度，對于現(xiàn)有的體系，進一步提高正極材料的電壓和容量還面臨著愈發(fā)嚴重的安全問題”。

他表示，在電芯層面上提高能量密度的主要難點是能量密度與安全性等其他指標的平衡，這需要材料層面的進一步創(chuàng)新，例如引入固態(tài)電解質(zhì)等。在系統(tǒng)層面，動力電池依然有較大的創(chuàng)新空間以降低系統(tǒng)層級的非活性物質(zhì)，提供系統(tǒng)的能量密度。

電池安全為何失控?

對于此次威馬汽車爆炸事件，該公司在后續(xù)的召回公告中指出，本次召回范圍內(nèi)的車輛由于電芯供應(yīng)商在生產(chǎn)過程中混入了雜質(zhì)，導(dǎo)致動力電池產(chǎn)生異常析鋰。極端情況下可能導(dǎo)致電芯短路，引發(fā)動力電池?zé)崾Э夭a(chǎn)生起火風(fēng)險，存在安全隱患。

值得關(guān)注的是，電池供應(yīng)商中興高能技術(shù)有限公司則聲稱，當日自燃車輛搭載的并非高能技術(shù)的電池。

“采用多個供應(yīng)商的電池，需要充分模擬不同供應(yīng)商提供產(chǎn)品的整個產(chǎn)品生命周期，采用完善的測試驗證手段驗證電池、電池組、電池包等所有可能出現(xiàn)的失效行為，建立高于市場要求的企業(yè)標準才能在車企環(huán)節(jié)降低電池起火的事故概率。”李泓強調(diào)，“對于電池供應(yīng)商而言，高精度的生產(chǎn)制造和電池的高一致性是避免電池發(fā)生安全問題的重點。”

李泓進一步解釋道，電池單體發(fā)熱、起火，甚至爆炸分為內(nèi)因和外因。從內(nèi)因來看，可能是由電池設(shè)計和制造引起的自身缺陷，如極片邊緣錯位、隔膜存在瑕疵、涂布時極片上混入灰塵雜質(zhì)等造成。從外因來看，可能是由機械濫用、電濫用和熱濫用造成。

此外，電池發(fā)生熱失控的現(xiàn)象也分為內(nèi)部反應(yīng)和外部反應(yīng)。對于電池內(nèi)部反應(yīng)，當電池溫度達到大約70攝氏度時，電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)會使自身溫度持續(xù)升高，如果在電池自放熱的早期沒有使其冷卻，那么電池自身溫度將會一直升高直至臨界條件，進而發(fā)生熱失控。

對于電池?zé)崾Э氐耐獠糠磻?yīng)，當電池內(nèi)部溫度超過電解液溶劑的沸點時，會導(dǎo)致電解液的噴發(fā)，而噴射至外部的電解液極易燃燒，對于采用雙溶劑的電池，會出現(xiàn)二次噴發(fā)的過程，即產(chǎn)生電池火焰熄滅后的“復(fù)燃”現(xiàn)象。

“值得注意的是，電池?zé)崾Э?、燃燒、爆炸是逐步遞進的，電池內(nèi)部自放熱的反應(yīng)可直接發(fā)生熱失控，但并不一定導(dǎo)致燃燒，燃燒由于外部的氧氣參與。而爆炸則是需要在密閉的空間內(nèi)短時間產(chǎn)生大量氣體，其發(fā)生條件比燃燒更為苛刻。一般而言，電芯通過氣閥的設(shè)計能夠?qū)㈦姵責(zé)崾Э禺a(chǎn)生的氣體有效排除，避免發(fā)生爆炸。”李泓表示。

未來瓶頸如何破?

“實際上，鋰離子電池的性能指標包括質(zhì)量能量密度、體積能量密度、循環(huán)性、充放電速率、高低溫適應(yīng)性、安全性等多種指標。”在李泓看來，未來鋰離子電池的發(fā)展還需要在多方面“深耕”。

從基礎(chǔ)科學(xué)角度，需要對電池內(nèi)的材料結(jié)構(gòu)演化行為、體積與應(yīng)力變化等機械行為、離子與電子的輸運行為、電池組分與材料之間的熱穩(wěn)定性和熱行為、內(nèi)部界面的化學(xué)電化學(xué)反應(yīng)有更深層次的理解，需要多尺度、跨學(xué)科的交叉合作。

從技術(shù)研發(fā)角度，需要平衡現(xiàn)有體系的能量密度、安全性和壽命等多重指標，采用精準摻雜與包覆、預(yù)鋰化、電解液添加劑等技術(shù)提高電池的綜合性能，加強系統(tǒng)層級的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

從工業(yè)制造角度，保證電芯高度一致性是電池組安全的重要前提，企業(yè)要逐漸引入智能制造、數(shù)字化工廠等技術(shù)，讓電池制造達到更高的標準。

“科研工作者需要更深入地理解工業(yè)界對電池的要求，在測試過程中，盡量使測試樣品的準備和測試條件接近工業(yè)產(chǎn)品，從而提高研究成果的實用化價值。”李泓說。