从波音787起火到威马试装车自燃 构建锂电“护城河”有多难？

近日,威马汽车一辆经过多轮试验报废的早期试装车自燃,引发了业内人士的广泛关注,再次将锂离子电池的安全问题推向了舆论的风口浪尖。

以下为部分网友热议:

事实上,近些年来手机和笔记本电池燃烧爆炸早已不能吸引眼球,电动汽车爆燃和锂电工厂的大火才算是新闻。前有波音787“梦幻”客机锂电池起火,后有三星SDI天津工厂废旧电池起火,一波未平一波又起的锂电池安全事故不得不让锂电产业警惕。

而要解决锂电安全问题,首先要知道锂离子电池安全事故产生的原因。

锂离子动力电池的安全性主要取决于基本的电化学体系以及电极/电芯的结构、设计和生产工艺等内在因素,而电芯所采用的电化学体系则是决定电池安全性的最根本因素。

无法根治的锂电安全性隐患

锂电池在过充过放、快速充放电、短路、机械滥用条件和高温热冲击等情况下,容易触发电池内部的危险性副反应而产生热量,直接破坏负极和正极表面的钝化膜。当电芯温度上升到130℃以后,负极表面的SEI膜分解,导致高活性锂碳负极暴露于电解液中发生剧烈的氧化还原反应,产生的热量使电池进入高危状态。

当电池内部局部温度升高到200℃以上时,正极表面钝化膜分解正极发生析氧,并继续同电解液发生剧烈反应产生大量的热量并形成高内压。当电池温度达到240 ℃以上时,还伴随锂炭负极同粘结剂的剧烈放热反应。

由此可见,温度控制对锂电安全性具有重要意义。值得一提的是,在锂电池的热失控中,直接原因是负极表面SEI膜的破损从而导致高活性嵌锂负极与电解液的剧烈放热反应,正极材料的分解放热只是热失控反应其中的一个环节,因此所谓磷酸铁锂(LFP)因热稳定而更安全的说法是有失偏颇的,其安全性也只是相对而言。

值得一提的是,锂离子电池的安全性隐患是其电化学体系所决定的,即便再出色的电池管理系统(BMS)也无法从根本上解决锂离子动力电池的安全性问题。

尽管锂电安全隐患无法根治,但我们仍然可以通过诸如热控制技术(PTC 电极)、正负极表面陶瓷涂层、过充保护添加剂、电压敏感隔膜以及阻燃性电解液等等等技术的综合性应用来有效的改善锂电的安全性。

此外,电芯的失效只是整个电池系统安全隐患的一小部分。站在模组的角度,由于电芯结构、工作方式和环境等多方面的因素会使得电芯的安全隐患加倍的体现出来,因此动力系统的结构设计、控制系统、生产管控的严密性等等才是更加重要的部分。

这也是为什么市场上无法直接买到锂电池电芯的原因,电池芯生产商只会向经过授权的Pack公司销售自己的电芯,再由Pack公司将电芯与保护板封装成电池包出售给电器生产商而不是消费者。此外,电池包必须与专用的充电器搭配并严格按照规定的方法使用,其实研究一下众多的电动汽车充电自燃事故,不难发现,很大一部分自燃事件都是使用者没有严格按照充电要求进行操作。

固态电池会成为电动汽车安全问题的“救世主”么?

面对锂电池带来的安全隐患,整个新能源产业链都花尽了心思,也取得了一定效果。从锂电安全防护途径来看,主要分为两个层面:一是防止电池失效的产生,二是防止失效电池的扩散。

前者比较好理解,大部分措施及研发都是为了达到这个目的,但笔者在前文中已提及,电芯的安全隐患是无法根除的,因此将电芯失效的危害控制在单个电芯内,防止其扩散甚至产生安全事故就显得尤为重要,而在这个过程中,BMS扮演着核心角色。值得一提的是,特斯拉动力系统一直被业内人士津津乐道的原因也正是其强大的BMS系统,真正论及电池技术,特斯拉反而不值一提。

此外,当前越来越“吸睛”的固态电池,也是锂电安全的质变所在,甚至不少人将其作为电动汽车安全问题的希望所在。包括丰田、松下、三星、三菱、宝马、现代、戴森、博士以及锂电池之父约翰·古迪纳夫的团队都宣布正在开发固态电池;而在国内,宁德时代已做出表率,在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展,并在规模化生产上提出了初步的工艺路线。

其实固态电池本身并不是什么新兴技术,早在2010年左右就有产品问世。所谓固态电池,就是通过采用固态电解质,一方面可以提升电压平台,进一步提升电池能量密度;另一方面在固固反应中可以减少气体排放,大幅提升锂电池的安全性能。

尽管固态电池的前景空前美好,但其量产之路却困难重重,其中最主要瓶颈是固态电解质的导电率、内阻、界面阻抗及相容性等等。因此,现阶段各大企业的研发重点是固态聚合物电解质、无机固体电解质的设计及制备技术,固/固界面构筑及稳定化技术;并在此基础上完善电池生产工艺及专用设备的研究,来实现产品的量产。

清陶(昆山)能源发展有限公司总经理李峥博士表示,固态电池从技术成熟到工艺成熟,再到产品成熟需要一个过程。从今年开始,固态电池会陆陆续续应用到手机数码、穿戴设备及一些特殊领域上,2019-2020会开始形成规模化(这里的应用是实实在在被老百姓使用);同时2020年,固态电池会在汽车上做示范运营,并在2025年左右大规模应用。

固态电池确实能使锂电在安全性上完成质变,但固态电池距其量产应用还有一段不小的距离,远水难解近渴。当下更应该考虑的是如何通过结构升级、工艺改善等措施进一步来保证动力电池的安全性能。

当前新能源产业发展的安全性隐忧

虽然任何一家电池企业都在反复强调安全性是产品研发的首要目标,但随着补贴政策的调整以及电动汽车市场的需求,能量密度在产品中扮演着越来越重要的位置,尤其是电池本身就是一个讲究综合性能的产品,单纯的提升单一性能,难度并不大。在市场和政策的双轮驱动下,很难保证电池安全性会受到最大程度的重视。

一个摆在眼前的事实是,Apple手机的电池容量一直被消费者诟病,相较于华为、oppo、Samsung等品牌来说,Apple的电池容量确实不够看,但其安全和抗衰减性能却非常出色。Apple并不是不能配备更高容量的电池,只不过出于安全性的考量,牺牲了部分能量密度而已。

事实上,国外的电池企业往往会为了最大化的安全性能,从而牺牲部分电池容量,其续航里程的领先更多是基于出色的电池包及动力系统总成设计。反观国内其实很尴尬,在满足所谓的安全标准的基础上,几乎将能量密度提升到极限,而这种现象还有愈演愈烈的趋势。

当前,排名靠前的电池企业都在追求811型号的高镍三元锂电池,诚然高镍意味着更可观的能量密度以及减少钴价对电池成本的影响,但同时也意味着更高的技术壁垒和更严苛的生产工艺。比较讽刺的是,目前国内电池生产的一致性颇有些不堪入目,很难想象同一批次生产的成品会出现A品、B品、C品、D品。

此外,与电池安全性息息相关的BMS系统也有待进一步提升。近年来,国内涌现出上百家BMS企业,但其技术来源其实只有2到3家,相对其他的锂电产业链,BMS投入相对较小,但其利润巨大。于是不少“资深”BMS工程师,学会了一套方案后就出来创业(锂电从来不缺资本),这导致了锂电BMS领域百家争鸣,却只有一两套方案打天下。当然,随着动力电池产业的发展,不少裸泳者已经被淘汰,但国内BMS技术与国外仍存在着较大差距。

笔者想要强调的是,在生产工艺及电池管理系统相对落后的情况下,一味的强调能量密度,会不会有点过犹不及。毕竟对电动汽车的消费者而言,想要的是绝对安全,而不仅仅是安全达标。当然,能在保证安全的前提下,冲击更高的能量密度,笔者自然是乐见其成的。