不自燃的动力电池是怎样炼成的?

锂电池方便了生活,也可能摧毁生活。


几天前央视的《今日说法》栏目报道了2017年三星Note4一起自燃事故,导致4岁的小女孩脸部烧伤。三星手机因为自燃问题甚至一度被禁止带上飞机。



如果说一块3500毫安时的手机电池自燃可能使你受伤,那么16kWh起步,最高超过80kWh的纯电动车自燃带来的后果将会更加可怕的后果。


而特斯拉的电池事故却好像一直都没有断过,早前香港也发现疑似特斯拉Model S电池起火事故,该车辆于2015年9月落地使用。




回顾最近出事的车型基本都是在2013-2015年间投放市场的初代Model S,电池使用均超过4-6年。



Model S的“第一烧”是出现在2013年10月——一辆Model S在行驶中底盘剐蹭到尖锐物体,随即车辆发出警报,车主弃车逃离,20分钟后车辆开始熊熊燃烧,Model S被烧剩下车架。


其实,“第一烧”就隐约透露出这类大容量锂电池发生自燃的可怕后果,而背后的根本原因在于锂电池的快充快放,不仅对电池损害很大,还对电池的热管理要求非常高,而Model S正好完美对应了以上两点。


电池安全是我们享受电气化带来便捷生活的大前提。为了保证电动汽车电池的安全性,无论是国家、电池厂商还是汽车厂商都为此做了大量的工作。


究竟今天我们看到的、正在使用的动力电池有哪几种,而国家、主机厂以及动力电池厂商又是如何确保电动汽车的电池安全性,今天所长就来好好捋一捋动力电池的前世今生。


动力电池的今日


经过多年的发展,纯电动车和混合动力车在2018年迎来了全面爆发。反应在动力电池市场上则是动力电池出货量不断的走高。



2018年前10个月动力电池出货量就已经超过了2017年全年,全年同比增长超过84%,装机总电量达56.89GWh。


随着2019年各老牌主机厂新能源车型不断推出,以及新势力车企的交付,预计2019年这个数字将继续增长。


目前市场上新能源车型主要使用的电池有使用最广泛三元锂电池、安全稳定的磷酸铁锂电池以及丰田独家的镍氢电池。


对比2017年之前的电动汽车就可以发现,动力电池能量密度已经从103.3Wh/kg上升到了142.4Wh/kg,并且国家设定在2020年达到300kWh/kg的目标。让动力电池能量密度提升如此巨大的根本在于三元锂电池的广泛应用。


使用三元锂动力电池的车包括model 3、卡罗拉e+、比亚迪元EV等在内一众主流新能源车型。



三元锂优势在于能量密度高,目前最先进特斯拉松下的电池已经可以接近300kWh/kg,而宁德时代和比亚迪目前可以达到200kWh/kg,目前三元锂电池材料还有很大的上升空间。然而在安全性能和电池循环上不如磷酸铁锂电池,被国家禁止使用在客运车辆上。


市场份额仅次于三元锂的是磷酸铁锂电池,因为突出的安全性能,主要应用在商用车上,目前满大街跑的电动公交车使用的主要就是磷酸铁锂电池。



相比于三元锂电池200度下就会发生电解质挥发,容易自燃,磷酸铁锂电池在800度下才会出现这种问题。然而电池密度目前最高的比亚迪也只能达到150kWh/h,曾经使用磷酸铁锂电池的比亚迪王朝系列目前也改用了三元锂电池。


现在磷酸铁锂电池能量密度已经接近理论极限值,提升空间不大。而且在-10度以下充电100次容量就会衰减不到20%,在寒冷环境下基本上难以使用。



至于丰田独家的镍氢电池,虽然安全性和可靠性久经考验,使用这么多年并没有发生什么电池方面的安全事故,然而丰田为这方面设立了太多专利壁垒,让其他厂商难以使用。


镍氢电池循环次数非常低,只能低充低放提循环次数,丰田普锐斯就是令电池保持在40%~60%容量使用。加上能量密度甚至比磷酸铁锂电池低,因此不能运用在混插车型和纯电车型上。丰田的混插车型和纯电车型也是使用三元锂电池。



依靠在三元锂电池与磷酸铁锂电池上广泛的市场占有率,宁德时代的2018出货量超过依托特斯拉和丰田等纯电混动车型全面热销的松下和主要供给自家车型的比亚迪,问鼎出货量冠军,在国内市场占有率达到41.3%。



然而在能量密度与成本上与松下、LG等日韩电池相比依然处于劣势,在降低补贴之后是否能保持现在的市场依然是个问号。当然作为宝马在电池方面的合作企业,相信宁德时代有足够的实力研发出价格更低更好的产品。


锂离子电池是怎么燃起来的


好了,讲完动力电池的分类以及前世今生,现在就来聊聊市占率最大的锂电池,为何如此容易着火。


锂电池起火根源在于热失控。


锂电池发生过热自燃的原因主要内因和外因。内因主要是电池的老化,外因主要有:穿刺、碰撞、短路、外部过热以及大功率放电和过充。



锂电池由正极、负极和只允许锂离子通过的隔膜构成。电池在工作中会放出热量,当升高到一定温度后隔膜会发生热闭合,令锂离子不能通过,隔绝电池正负极,停止反应,防止电池过热。


然而隔膜在超过一定温度后会发生破裂,失去保护作用。当外部热量导致隔膜破裂,或是穿刺、碰撞等物理破坏,甚至是因为老化负极形成的锂离子晶体刺破隔膜,都会导致隔膜无法隔绝正负极,电池就会发生内部短路。


电池因为内部短路,正负极大面积接触发生剧烈反应,放出大量的热量,并导致这个过程不断加剧,温度继续升高。



而锂电池使用的电解液在高温下并不稳定,除了在高温下会挥发形成气体导致电池膨胀破裂,加剧了内部短路之外,在到达一定温度之后会发生一系列分解反应,并且放出大量的热量,这些热量又会引起反应进一步加剧,最终产生自加热效果。


当一块锂电池因为各种原因发生内部短路,放出的热量可能会引起剩下电池的链式反应,最终导致大面积的热失控。



锂电池使用电解液是具有挥发性和可燃的有机溶剂,在热失控下会被点燃。最终呈现出来的正如几起Model S自燃事故中的,突然冒出大量的烟,在很短时间内燃起大火,并且难以灭火。


国家强制标准保证安全


既然锂电池存在问题,为了保证锂电池在乘用车辆上的安全使用,国家对于乘用车蓄电池与蓄电池包括系统国家建立了两套严格的强制标准,分别具有16项与10项安全测试项目,必须同时通过所有测试,符合两项国家标准的电动车辆才能上市与消费者见面。




所有的试验都是在电池充好电的情况下测试,其中有几个试验比较暴力,所长详细讲一讲,大家感受一下这份标准的严格程度。



针刺试验是使用直径6-8mm的钢针以25mm/s的速度垂直穿刺,并至少贯穿三个蓄电池,并且钢针停留在蓄电池中,观察一小时不能出现爆炸、燃烧、起火。



加热试验是以每分钟5摄氏度的速率升高到130度并保持30分钟,停止加热之后观察一小时不能出现爆炸、燃烧、起火。



温度循环试验是按照上表的温度和持续时间调节温度,循环5次,之后观察一小时,还是不能出现爆炸、燃烧、起火。



还有一个是外部火烧试验,用一个尺寸大于电池系统的点燃油盆,将电池直接暴露在火盆上方50厘米处,火焰直接燃烧电池70秒,然后盖上盖板隔板加了60秒或直接继续燃烧60秒。离开火源之后若电池有火苗需要2分钟之内熄灭。观察2小时,不能出现爆炸、燃烧、起火。


事实上经过这些严格的标准的测试,电动车动力电池自燃起火的概率并不比燃油车辆高,对于有实力的主机厂生产销售的纯电动车或者混合动力车辆,大家在安全性方面还是可以放心的。


不断提升的安全性能


除了电池本身国家强制标准的规定的安全性能,为了保证车辆的动力电池的安全,还有许多其他设备在保证其安全。


比如在2013年的特斯拉被穿刺电池燃烧之后,特斯拉重新设计了电池的外部保护的装置。



采用铝合金和钛金属的材料打造出一个偏转“盾牌”,既能防护正面的撞击,也能偏转一些溅射或者穿刺的物体,从外部很好的降低了电池被穿刺和撞击的概率。



还有一个避免电池过热的重要设备就是电源系统的电源管理BMS算法,有效的电源管理算法能够有效的避免过充情况的发生。因为电池电量不能被直接检测,只能通过电流电压估算,当电源管理策略因为天气等原因出错的情况下,很容易造成过充。


过充导致电池正极溶解、电解液被氧化分解,电池发热并且膨胀破裂,最终起火。


现在世界各地不同的团队都在研究更加先进有效的电源管理算法。一套优秀的电源管理算法不仅能够及时发现电池过充避免过热,还能够识别是否发生内短路,对车辆人员发出警告,引导人员快速逃离。


甚至能通过主动散热系统降低内短路部分温度,最终实现在热失控前控制温度。


当然还有一个办法就是使用主动温度控制的策略,采用液冷循环系统包裹电池组。不仅能很好的避免因为电池温度过高或者过低引起过充过放,还能令电池保持在适合的温度区间,令电池充电处于最佳温度,达到最好的快充的效果。



传统的锂电池隔膜使用单一的聚乙烯或者聚丙烯,在超过135度时就会出现隔膜破损,出现自燃的危险。新型的电池采用聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯复合隔膜,在更高温度依然能保持隔膜阻断功能。


除此之外,传统的电池中电解质在高温下分解,产生大量气体与热量,发生热失控。通过往电解质添加磷酸酯类阻燃剂,能够有效的中断反应,组织燃烧反应。


这些不同的措施还有很多,并且还在不断的根据用户反馈和测试结果不断改进。电动车的安全性并不会因为改变了动力系统而落后于燃油车。


作为未来的发展方向,有许多不同的公司、不同的技术团队在为电动车的安全性能不断的添砖加瓦。燃油车目前的安全性也是在不同的事故中总结改进的。未来随着电动车更加广泛的出现在我们生活之中,电动车的安全性必将得到更进一步提高。


所长有话说


电动车锂电池的安全性并不低,而且还在一步步提高。


作为新出现的一种车型,消费者对电动汽车用比燃油车更高的标准去要求无可厚非。同时我们应该用一种发展的眼光看待电动车,而不是用保守的眼光一味地批判。


有的人说他能想到的最差的车就是国产纯电动车。我对此只能说当汽车工业起步的时候没有相信汽车能取代马车。


特斯拉因为过于激进等原因,在安全方面其实一直表现不太良好,装载Model S的7000多颗18650电池,对于电源管理系统简直是噩梦。但是我们不能因此否定电动车,从目前市场上电动车电池安全技术已经远远超出这些18650电池组。


2019年新能源补贴下降对新能源汽车行业是个不好的消息,因为本身对于燃油车的价格优势不再明显。但是从另一个角度想这对于新能源汽车也能起到促进作用。


以往许多靠补贴过日子的企业只能被市场淘汰,而剩下的都是有足够有研发能力、生产实力、制造实力的企业。对于电动车的安全来说,剔除了这些从“老头乐”转型过来的电动车企业能有效的提升国产纯电动车的安全方面的平均水平。





车系: Model S
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