高能量VS安全 动力电池首难如何破解？

近日,国家工信部公布了我国新能源汽车产销数据,2018年我国新能源汽车产销量分别完成了127万辆和125.6万辆,同比分别增长了59.9%和61.7%,其中纯电动汽车产销分别完成98.6万辆和98.4万辆,同比分别增长47.9%和50.8%。

在新能源汽车行业不断蓬勃发展的同时却也带着些许遗憾,据公开资料显示,2018年初到2018 年6月前新能源电池车在国内共发生 6 次起火事故,进入夏季之后,6 月-8 月新能源汽车的起火事件数量大幅增加,起火车型中,特斯拉、北汽新能源等国内外纯电动汽车知名品牌均榜上有名。

传统汽车的车辆起火原因多数与添加或使用汽油时有关,部分也有因为电路问题而起火,而对于新能源汽车来说,虽然因为不使用可燃物而避免了燃料起火,但是由于锂电池故障和电器短路也会引发起火。

“新能源汽车难做啊!”一位业内人士在接受SMM采访时这样评价道,“如今的新能源汽车市场有三座大山,安全、成本、电池回收,其中,安全问题是摆在第一的重要难关。”

在政策导向和市场激烈的竞争之下,车企以及动力电池厂商迫切的需要电池的能量密度以达到长续驶里程,但是高能量密度带来的是更高的安全风险,据业内人士爆料称,由于国家政策将动力电池高密度与补贴挂钩,行业内存在一些企业为了拿补贴,在技术尚不完全成熟且缺乏严格验证的情况下,匆忙上马高能量密度电池项目。由于这些电池开发时间短,尚不成熟,加之不断缩短和简化的验证试验环节,各类产品问题随之而来。

电动汽车百人会执行副理事长、中国工程院院士欧阳明高曾这样评述,“很大一部分并没有建立企业内部的电池安全测试标注,部分企业甚至没有电池安全测试能力。”他认为,将补贴和动力电池能量密度挂钩没有问题,但要符合技术发展规律,对能量密度的提升不宜过快过频,新能源汽车发展的节奏一定要稳。那么,究竟是什么原因造成了动力电池的安全问题?

电芯安全:薄薄的隔膜撑起了整个电芯的安全

锂电池,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜以及外部连接、包装部件构成。其中,电解液是易燃物,它与正极材料遇到高温时释放的助燃剂氧气以及火源被密封在同一个容器之中,相比于传统汽车易燃物和火源分开不同,易燃物、助燃剂、火源三者同处一室的设计让锂电池的安全不确定性更为的突出。

锂电池电解液是电池中离子传输的载体,在电解液中含有大量的有机物,例如碳酸乙烯酯、碳酸丙 烯酯、碳酸 二乙酯。这些锂电池电解液的优良溶剂有毒、易燃、遇明火、高热有引起燃烧的危险,同时,其液体或高浓度蒸气有刺激性。目前,行业内主流的做法是引入隔膜,将电池的正负极隔开。锂电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一,其具有电子绝缘性,保证正负极的机械隔离,同时有一定的孔径和孔隙率,保证低的电阻和高的离子电导率,对锂离子有很好的透过性。

但是,随着锂电池向着高能量密度的趋势发展,为了保证更多的能量供给,相比于更为重要的电解液,厂家只能削减隔膜的厚度,据中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长王子东在中国汽车动力电池产业创新联盟2018年度会议暨动力电池协同创新研表示,原本的主流锂离子电池隔膜厚度有30至40微米,而现在仅仅只有12微米。

大幅削减隔膜厚度之后,若隔膜一旦破损,电池便会引发短路,值得的注意的是,锂电池在使用的过程中,本身会在电极的表面形成类似毛刺一般的枝晶,随着枝晶的叠加增大,扎破隔膜的风险也会越来越大。

电池系统安全:BMS监控电池系统

电池系统,是以整车需求为核心,安全为基础,从电芯、机械机构、BMS系统、热管理系统、电气系统这五个方面来开发的,在电池系统的开发设计之中,往往会考虑机械冲击、挤压、跌落、振动、模态五个方面。

苏州正力蔚来新能源科技有限公司 BMS 开发经理王志刚表示,目前,国内电芯的技术虽然已经很先进了,但仍然存在产品一致性差的问题。此外,电芯模块里面,可能会存在一些很难被检测出来的微短路。这些微短路,就像一个个小小的蚂蚁穴一样,对于一个大坝而言,它刚开始是不会有影响的。但是,电动车长期使用过程中,电池包经历过成百上千次充放电,或者因为进水以及碰撞等缘故,这些微短路会不断变大,最后导致整个电芯模块的短路,然后热失控就发生了。

目前,业内通常使用BMS来应对这个问题。BMS,即电池管理系统,主要对象是二次电池,主要就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,可用于电动汽车,电瓶车,机器人,无人机等。

而一旦电池出现热失控现象,合格的 BMS 首先要能够精准的检测出来,识别出具体是哪个电芯模块发生了热失控。之后会马上做两件事:第一,强制启动液冷系统,以降低热失控蔓延速度,延缓爆发时间;第二,跟整车系统配合,通知乘客赶紧逃离。但是,目前国内的 BMS 还处于探索阶段,王志刚表示,“目前国内的 BMS 都还处于初级阶段,只具备一些基础功能,如显示电压电流,对充电放电进行管理等等。很多厂家推出的 BMS 其实都还没有真正的热失控管理功能。”

整车安全:牢固、绝缘

据东风汽车公司技术中心资料显示,其对于电池系统安全设计要求有六点,分别为:电池箱本体、电池箱体绝缘垫、箱体密封垫、热管理系统、零件固定支架和零部件固定螺栓。

首先,在电池箱本体之中,要求能够在各种规定的工况下均能可靠地固定电芯的各个零部件;电池箱体绝缘垫中,要求有效可靠的起到绝缘的作用;箱体密封垫则起到了防护等级的要求。其次,在热管理系统之中,要求在低温环境下可以对电芯进行加热,在高温环境下对电芯进行冷却,在动力电池系统工作时保证电芯的温度一致性;零件固定支架则要求在各种规定的工况才均能安全可靠地固定电芯等各个零部件;最后零部件固定螺栓则保证在固定着的零部件不会有松动断裂或腐蚀的现象。

要高能量密度?还是安全性?是困扰产业链上的一个大难题,在新能源汽车补贴临近完全退坡的关口,如何兼顾两者成为业界讨论的话题,国家工信部副部长辛国斌曾表示,能够产业化的电动车用动力电池的性能提高,不仅仅是正、负极材料性能上需要有大幅度改进,同时在许多方面都需要有比较大的突破,才有可能实现动力电池真正意义上的提高。这样看来,技术的创新发展才是未来应对一切难关的基本前提。