鋰離子電池所面臨的安全性困境

　　2012年，國務(wù)院出臺了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，該規(guī)劃明確了我國新能源汽車的發(fā)展將以鋰離子電池純電動汽車（LIB-EV）為主要方向。最近幾年，鋰離子電池純電動汽車在我國已經(jīng)成為新能源汽車的絕對主流路線，鋰離子電池已經(jīng)一統(tǒng)我國電動汽車動力電池市場。

　　2014年12月，全球第一大汽車公司豐田汽車（Toyota）正式推出了全球首款量產(chǎn)型燃料電池（PEMFC）電動汽車Mirai（FC-EV）。緊跟其后，本田汽車（Honda）也在2015年下半年發(fā)布了其新一代燃料電池汽車FCV Clarity。之后，日本日產(chǎn)（Nissan）、韓國現(xiàn)代汽車（Hyundai）、美國通用汽車（GM）、德國寶馬（BMW）和大眾（VW）也都在近兩年陸續(xù)發(fā)布了各自的燃料電池電動汽車產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃。

　　我們可以看到，中國與日本（實(shí)際上也包括韓國和歐美主流車企）在純電動汽車發(fā)展方向上選擇了不同的技術(shù)路線。面對Toyota、Honda和Hyundai燃料電池汽車（FC-EV）小批量商業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)，我們當(dāng)下首先需要認(rèn)真思考的是為什么中國和日本在發(fā)展純電動汽車方面選擇了不同的技術(shù)路線？或者說鋰離子電池和燃料電池到底哪種動力系統(tǒng)更加合適純電動汽車？

　　從本質(zhì)上上而言，包括鋰離子電池在內(nèi)的二次電池是一種能量存儲裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放。而燃料電池（PEMFC）則是一種電能生產(chǎn)裝置，它通過電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來。雖然燃料電池也叫“電池”（中文翻譯的原因），但是它的基本工作模式卻與內(nèi)燃機(jī)有些相似，跟常規(guī)二次電池有著本質(zhì)上的區(qū)別。這兩種電化學(xué)電源體系工作方式上的本質(zhì)不同，將直接決定它們在應(yīng)用層面上的不同定位。

　　當(dāng)前，我國在電動汽車動力源（動力電池）的選擇上基本上是將鋰離子電池作為唯一的選擇，并且國內(nèi)鋰電界也一直盛行著這“鋰離子電池會取代其它二次電池一統(tǒng)江湖”或者“鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛是萬能電池”這樣的奇談怪論。

　　筆者認(rèn)為這里有必要澄清一些關(guān)于鋰離子電池的基本認(rèn)識。在筆者看來，鋰離子電池存在兩大挑戰(zhàn)，使其難以成為大中型交通工具的主動力源：安全性的困境和能量密度的瓶頸。

　　安全性的困境：首先筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是，從最基本的熱力學(xué)角度而言，現(xiàn)有的鋰離子電池體系在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，它之所以能夠穩(wěn)定工作是因?yàn)檎龢O和負(fù)極表面的鈍化膜在動力學(xué)上隔絕了高活性的正負(fù)極材料與電解液的進(jìn)一步反應(yīng)，而由于各種因素引發(fā)的熱失控則是破壞正負(fù)極表面鈍化膜最直接原因，這個科學(xué)問題對客觀認(rèn)識鋰離子電池的安全性將是至關(guān)重要的。

　　任何一種商品化的二次電池，都需要有效的防過充措施來保證電池達(dá)到完全充電態(tài)，并且避免不適當(dāng)?shù)倪^充帶來的安全性問題。不論是水系的還是有機(jī)系的二次電池，其充電安全性都是建立在正極限容（負(fù)極容量過剩）這一基本原則之上的。如果這個前提消失，過充的后果就是水系二次電池產(chǎn)氫，對于鋰離子電池而言則是負(fù)極析鋰。

　　但是，各種水系二次電池可以有效地利用水的分解反應(yīng)從而采用“氧循環(huán)”的原理來實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。雖然水系二次電池由于水的分解電壓而限制了其能量密度的進(jìn)一步提升，但是不要忘了水也為水系二次電池提供了一個近乎完美并且無可替代的防過充解決方案。而在鋰離子電池中，負(fù)極一旦析出高活性金屬鋰，由于金屬鋰無法在電池內(nèi)部消除而必將產(chǎn)生安全性問題。

　　所以，從某種意義上而言，鋰離子電池在安全性問題上是無解的！通過一些技術(shù)措施的綜合應(yīng)用，如熱控制技術(shù)（PTC 電極）、正負(fù)極表面陶瓷涂層、過充保護(hù)添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等都可以有效改善鋰電的安全性，但是這些措施都不可能從根本上解決鋰電的安全性問題，因?yàn)殇囯娫跓崃W(xué)上就是不穩(wěn)定體系。

　　另一方面，這些措施不僅增加了成本，而且也降低了電池的能量密度。限制動力電池單體電芯的容量，仍然是緩解安全性的一個必要措施。筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是，BMS并不能解決鋰離子動力電池的安全性問題，這是由BMS基本工作原理所決定的。

　　如果我們綜合考慮上述因素就會明白，鋰電的“安全性”只是相對意義上的。近幾年，國內(nèi)鋰電界一直彌漫著鋰離子電池將一統(tǒng)江湖而取代其它二次電池的論調(diào)，僅僅從安全性的角度而言，這種論調(diào)無疑就是荒謬可笑的。