什么是電動(dòng)汽車自燃的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;？用最近很流行的一句話來(lái)回答，沒有一片雪花是無(wú)辜的。
一個(gè)推崇能量密度的電動(dòng)汽車市場(chǎng)，對(duì)電池包、整車的安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。2018年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車每百萬(wàn)輛發(fā)生了52起安全事故。若論場(chǎng)景，充電、行駛、停放，均是安全事故發(fā)生的場(chǎng)景。
若分析原因，58%的起火事故發(fā)生原因是鋰電池的熱失控。近90%的熱失控是由短路引發(fā)的。電芯層面，正負(fù)極材料、電解液、隔膜，是熱失控發(fā)生的直接導(dǎo)火索。成組后，如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻、電控方面抑制熱擴(kuò)散，關(guān)系到熱失控風(fēng)險(xiǎn)能否被減少或扼殺。
2019年10月16日-17日，2019中日韓下一代新能源汽車電池技術(shù)大會(huì)在上海舉辦。大會(huì)分為兩個(gè)論壇，主題分別為電池?zé)岚踩c解決方案和固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)。
論壇一，OEM、動(dòng)力電池企業(yè)、知名高校、實(shí)驗(yàn)室、檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在動(dòng)力電池比能量層次不斷提升下，討論高鎳電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)生原因及解決方案。論壇二則是關(guān)于不同固態(tài)電池技術(shù)路線及現(xiàn)狀的解析。
系統(tǒng)看熱安全
一塊動(dòng)力電池的全生命周期是從材料體系的選擇開始，到電芯的完成，模組、PACK的成型，裝車應(yīng)用后的電池管理，到隨車運(yùn)行中的使用。
熱失控產(chǎn)生的根源是在電芯。正負(fù)極是“導(dǎo)火線”，電解液是“燃料庫(kù)”，它只需要一粒“火花”就會(huì)出現(xiàn)熱失控或者火災(zāi)。
“火花”或來(lái)自于電芯內(nèi)部，或由外因而起。內(nèi)因主要指在電池設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素；外因主要指在電池運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中由于人員、外部條件等導(dǎo)致的原因。
造成電池?zé)岚踩?，主要是局部過(guò)熱，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，或者微短路造成電池隔膜破損，出現(xiàn)更大面積的短路。
鋰離子電池從NCM111、NCM523一路升級(jí)到NCM622、NCM811。正極三元材料鎳含量不斷提高，釋氧溫度不斷下降，正極材料的熱穩(wěn)定性越來(lái)越差。釋氧溫度下降就意味著鋰電池更加不耐熱，正極材料隨著溫度的提高從層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)，然后形成巖鹽，并釋放出活性氧。巖鹽的生長(zhǎng)和氧氣的釋放是熱失控產(chǎn)生的根本問(wèn)題。
電化學(xué)濫用是最令電芯廠頭痛的問(wèn)題。在熱沖擊、過(guò)充、過(guò)放等濫用狀態(tài)下，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶，刺穿隔膜，導(dǎo)致內(nèi)短路。負(fù)極析鋰是鋰枝晶生長(zhǎng)的一大原因。因此如何防止鋰枝晶的是一項(xiàng)重要課題。
隔膜失效導(dǎo)致正負(fù)極短路是一個(gè)熱失控重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)SEI膜這層安全膜被破壞后，電解液與電極發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱，將會(huì)熔化隔膜。而且隔膜面對(duì)著的敵人還有鋰枝晶，威脅著它的完整性和穩(wěn)定性。
內(nèi)短路、過(guò)充、電池老化等帶來(lái)的電池失效外，外短路、擠壓、火燒、浸泡、模擬碰撞這些非常極端狀態(tài)下的機(jī)械失效也會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)短路引發(fā)電氣失效，最終導(dǎo)致熱失控。
電池在全生命周期過(guò)程當(dāng)中可能出現(xiàn)的一些失效、性能衰減，會(huì)造成電芯超過(guò)了安全使用范圍被應(yīng)用，引發(fā)一些安全事故。
電池廠和OEM齊心協(xié)力
熱失控產(chǎn)生的內(nèi)外因，需要電池廠和OEM的共同協(xié)作，給出一個(gè)整體的解決方案，包括正負(fù)極材料、隔膜、電解液以及電池管理、PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
對(duì)于電池廠而言，尋找耐高壓、耐高溫的阻燃電解液、耐高溫的單晶正極材料、抑制鋰枝晶的負(fù)極材料，或者使用添加了安全劑的包覆后的NMC811正極，提高干法隔膜的應(yīng)用，引入陶瓷隔膜，在電芯層面抑制熱失控。
對(duì)于主機(jī)廠而言，關(guān)注電池本身的安全遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。除了電池自身的問(wèn)題，電池電連接、機(jī)械安全、充電連接、日常性使用問(wèn)題、出現(xiàn)問(wèn)題后迅速處理，均是電動(dòng)汽車安全的核心。
OEM的動(dòng)力電池安全防護(hù)體系從單體、模組、BMS和系統(tǒng)四個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。一方面，電池廠家本身從設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)確保安全。另一方面，整車廠從模組安全上考慮機(jī)械、電氣、熱安全，如安全間隙、受力設(shè)計(jì)、防護(hù)。
在總成結(jié)構(gòu)上，OEM要考慮整車的各種工況，還有冷卻管路、新型冷卻技術(shù)、熱失控的預(yù)警、防擴(kuò)散，同時(shí)思考主動(dòng)滅火，怎么通過(guò)外部結(jié)構(gòu)把火撲滅。
OEM普遍思考的是如何從系統(tǒng)層面提高電池包的安全的設(shè)計(jì)。無(wú)論是正負(fù)極材料、電解液、隔膜，成組后PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻、熱管理，以及防范警告，均是OEM分析的對(duì)象。
鋰電池的安全是一個(gè)大話題，它涉及到從材料、生產(chǎn)到應(yīng)用的方方面面。確保電動(dòng)汽車的熱安全，需要主機(jī)廠、電池廠、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的通力合作，從分析熱失控的機(jī)理入手，探索延緩熱失控發(fā)生的新技術(shù)。
固態(tài)電池的不同聲音
電動(dòng)汽車的向前預(yù)示著動(dòng)力電池比能量標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)后退。高電勢(shì)正負(fù)級(jí)材料的應(yīng)用已成為趨勢(shì)，NCM811、硅碳負(fù)極越來(lái)越多地出現(xiàn)在電池廠的技術(shù)路線中。但火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)仍威脅著高鎳電池的應(yīng)用。于是電池廠和OEM將目光投向阻燃、耐高壓的固態(tài)化電解質(zhì)，期望借此來(lái)解決比能量和安全性的平衡問(wèn)題。
但是，在本次的中日韓大會(huì)上，中日嘉賓對(duì)固態(tài)電池的研究和應(yīng)用的觀點(diǎn)差異甚大，挑戰(zhàn)著業(yè)內(nèi)對(duì)固態(tài)電池的固有看法。相對(duì)高鎳安全解決方案現(xiàn)場(chǎng)的齊心協(xié)力，固態(tài)電池的現(xiàn)場(chǎng)是在分歧中前行。
日本30年固態(tài)電池專家Tadahiko Kubota博士、日本原豐田、本田電池核心專家大木栄幹，對(duì)固態(tài)電池研究現(xiàn)狀的評(píng)述可以用“悲觀”來(lái)形容，固態(tài)電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車是相當(dāng)困難的。而另一方，國(guó)內(nèi)清陶、衛(wèi)藍(lán)、輝能、國(guó)軒高科等電池廠、中科院、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等均在對(duì)固態(tài)電池進(jìn)行孜孜不倦、如火如荼的研究。
日本專家的觀點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)：豐田硫化物還停留在研發(fā)階段，以現(xiàn)階段的技術(shù)水平不可能量產(chǎn)。它研發(fā)固態(tài)電池的初衷為了減少混動(dòng)車用電池。而外部錯(cuò)認(rèn)為固態(tài)電池就是用于電動(dòng)汽車。這是豐田內(nèi)部想法和外部輿論之間出現(xiàn)的差別。
安全性方面，固態(tài)電池也會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶問(wèn)題，安全性非常令人擔(dān)憂。而且判斷它的安全性并不能通過(guò)電解質(zhì)是否易燃來(lái)判斷，最重要的問(wèn)題是能量密度高的正極和負(fù)極直接接觸。
全固態(tài)電池可能會(huì)提高能量密度，其中一個(gè)原因是可以減少外部材料。但這不僅僅是全固態(tài)電池特有的特性。
快充方面，豐田論文、絕大多數(shù)研究人員并沒有確認(rèn)過(guò)全固態(tài)電池可以進(jìn)行快速充電的任何證據(jù)。他們都表示，在充電時(shí)候會(huì)形成鋰枝晶，越是了解全固態(tài)電池的人越是否認(rèn)它可以快充這一點(diǎn)。
豐田近十年的專利大多是關(guān)于阻抗的專利。它從十年前開始就在研究這個(gè)問(wèn)題，到現(xiàn)在為止還是一個(gè)很大的問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)電池廠的觀點(diǎn)：真正火災(zāi)的蔓延與有機(jī)液體電解質(zhì)直接相關(guān)。固態(tài)電解質(zhì)從聚合物，到陶瓷電解質(zhì)等，都可以在不同程度上改善電池的安全性。固態(tài)電池在安全性、能量密度兩方面，相較過(guò)去常規(guī)的傳統(tǒng)鋰離子電池都得到提升，前提是我們要有好的技術(shù)解決界面的問(wèn)題，保證固體電解質(zhì)能夠適應(yīng)電池的設(shè)計(jì)，能夠滿足高比能量電池的要求。
我們認(rèn)為固態(tài)電池確實(shí)在有些方面有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)隔膜和電解液用固態(tài)物質(zhì)取代后，它會(huì)有更高的安全性。當(dāng)把整個(gè)體系的安全性閾值提高之后，這個(gè)體系可以采用高電勢(shì)正負(fù)極材料，如金屬鋰負(fù)極，未來(lái)也會(huì)有更高的能量密度。
目前的思路是，盡可能和現(xiàn)有的鋰電設(shè)備和鋰電工藝所兼容，把成本盡可能地降下去。由于固態(tài)電池具有高能量密度和高安全性，它可能在一些特殊情況先得到一些應(yīng)用。
固態(tài)電池的能量密度優(yōu)勢(shì)在電芯層面相對(duì)不夠明顯，到PACK層面更為突出。到2021年固態(tài)電池通過(guò)采用更高利用率的活性材料，在電芯層面的能量密度將與液態(tài)電池持平，然后逐步超越。
盡管國(guó)內(nèi)海外專家對(duì)固態(tài)電池在能量密度、安全性等存在爭(zhēng)議，但他們基本上都認(rèn)為，固態(tài)電池的研究室為了解決液態(tài)電池的一些不足，它的商業(yè)化應(yīng)用是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。因此固態(tài)電池可以先從摩托車、消費(fèi)電子領(lǐng)域進(jìn)行導(dǎo)入，待安全、性能、
成本三個(gè)維度都成熟的條件下再進(jìn)入電動(dòng)汽車領(lǐng)域。
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