王子冬:動力電池能量密度要與安全性平衡

時(shí)間:2020-07-16 09:43來源:中國能源報(bào) 作者:盧奇秀
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  5月4日,杭州九堡客運(yùn)中心門口,一輛正在行駛的面包車發(fā)生自燃。5月8日,鄭州日產(chǎn)帥客EV在東莞某充電站自燃,致使多車嚴(yán)重?fù)p毀。6月5日,一輛江鈴易至EX5在湖州長興某小區(qū)發(fā)生自燃。6月22日,一輛歐拉iQ在保定市瑞興路的國家電網(wǎng)充電站內(nèi)自燃。6月28日,杭州余杭盛奧西溪銘座地下車庫發(fā)生一起新能源汽車自燃事故……
 
  “5月以來,電動汽車安全事故頻發(fā)、‘火燒連營’。”原中國北方車輛研究所動力電池實(shí)驗(yàn)室主任、中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長王子冬坦言,目前電動汽車自燃事故還不能“歸零”,給新能源汽車推廣帶來巨大的負(fù)面影響。
 
  在近日舉行的“動力電池安全設(shè)計(jì)及防護(hù)技術(shù)線上研討會”上,王子冬反復(fù)強(qiáng)調(diào),對電動汽車安全要有正確認(rèn)識,在目前電池起火原因尚不明晰的情況下,動力電池能量密度的提升要與安全性尋求平衡優(yōu)化。
 
  電池自燃的根本原因是內(nèi)部短路
 
  “‘高溫炎熱的夏天更容易起火’的說法并不正確。”王子冬指出,從各個(gè)月份的電動汽車起火事件分布情況來看,除了12月的數(shù)量略少之外,其余各個(gè)月份都有超過4起嚴(yán)重起火事故,其中5、6月和11月是兩個(gè)高峰期,這表明電動汽車起火事故在全氣候條件下均易發(fā)生。
 
  王子冬認(rèn)為,電動汽車安全事故主要由動力電池?zé)崾Э匾,但熱失控僅是結(jié)果,其原因錯綜復(fù)雜。“現(xiàn)在電動汽車普遍配置了熱管理系統(tǒng),電池不太容易因?yàn)閱我坏臒釣E用而觸發(fā)熱失控。”他表示,解決電池安全問題,還要從更為復(fù)雜的角度對其誘因進(jìn)行全面分析。
 
  “說起熱失控,一般都指向了電芯的熱失控。”王子冬強(qiáng)調(diào),這一觀點(diǎn)很片面,電芯熱失控只是其中的一部分,還有其他原因引起的熱失控,比如,電池包內(nèi)部的低壓線束起火,局部高電阻導(dǎo)致高壓線路升溫、不合理的充電和維護(hù)方法等,“在電池包內(nèi)沒有相應(yīng)的防護(hù)措施時(shí),火勢難以控制,形成熱失控和蔓延,最終導(dǎo)致電芯起火,從而產(chǎn)生電芯熱失控的假象。”
 
  “車企在理解熱失控時(shí)也經(jīng)常感到困惑,因?yàn)楫?dāng)前電池?zé)崾Э氐亩x或研究都是以電芯來設(shè)計(jì)的。”王子冬坦言,以電芯先入為主的思路,不利于實(shí)際工作中開展熱失控的防護(hù)。
 
  厘清電池包的熱失控要回歸本源,即“熱”上。王子冬進(jìn)一步說明,電池包熱源來自多個(gè)方面:周圍外界物體的熱;短路或線路中高溫電阻、電芯內(nèi)阻電流作用產(chǎn)生熱;過充或是低電壓、大電流產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱;正負(fù)極材料與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),以及氣體膨脹都會產(chǎn)生熱。
 
  在王子冬看來,引發(fā)電池自燃的根本原因是內(nèi)部短路。“加工制備時(shí)混入的金屬雜質(zhì)或產(chǎn)生的極片毛刺、電濫用、電解液浸泡不均等引發(fā)的局部析鋰,都有可能劃破電池隔膜,引發(fā)微小的內(nèi)部短路。”王子冬稱,這種微小的短路并不易被察覺會在電池內(nèi)部持續(xù)產(chǎn)熱,當(dāng)熱量堆積到一定程度就會引發(fā)電池?zé)崾Э,致使電池起火?/div>
 
  電池能量密度與安全性成反比
 
  王子冬進(jìn)一步表示,近幾年電動汽車安全事故呈現(xiàn)出一定趨勢。“電動客車起火頻次和占比逐年減少,而乘用車起火頻次和占比總體上在上升,三元電池的使用是一個(gè)原因。”王子冬坦言,盲目追求高能量密度是問題的焦點(diǎn),如何在高能量密度與提高安全性之間取得平衡,是當(dāng)前業(yè)內(nèi)亟待解決的一大難題。
 
  各動力電池企業(yè)在不遺余力地創(chuàng)新。2019年9月,寧德時(shí)代推出了全新的CTP方案,改變了原有的電芯—模組—電池包結(jié)構(gòu),電芯直接集成到電池包。據(jù)了解,北汽EU5成為首款搭載該電池的車型,該電池包體積利用率提高了15%—20%,能量密度進(jìn)一步提升至200Wh/kg,大幅降低了動力電池的制造成本。特斯拉、蜂巢能源均對CTP技術(shù)進(jìn)行了布局。
 
  比亞迪今年也重磅推出了刀片電池,設(shè)計(jì)上取消了縱梁、橫梁,以電芯作為電池包結(jié)構(gòu)的支撐件,使其體積能量密度從普通電池包的251Wh/L提高至332Wh/L。
 
  “上述新技術(shù)沒有隔離墻,這就要求電池確保萬無一失,但目前還做不到。”王子冬直言,目前還沒有真正弄清楚鋰電池的著火原因、是什么環(huán)節(jié)出了問題、什么場景會出問題。“為了降低成本、多帶電池,直接取消模組的做法值得商榷,有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。”在他看來,理論上,電池能量密度與安全性成反比。動力鋰電池成組時(shí)最關(guān)鍵、最核心的問題是安全和使用壽命,其影響因素除了電池自身工藝性和產(chǎn)品質(zhì)量外,充電的安全性和熱管理技術(shù)也至關(guān)重要,如果沒有完善這兩項(xiàng)技術(shù),電池的安全性和長壽命循環(huán)就無法得到保證。
 
  為應(yīng)對動力電池自燃事故的發(fā)生,很多企業(yè)都在研究BMS(電池管理系統(tǒng))。“如果電池受到外部影響,目前的BMS基本能夠起到防護(hù)作用,但如果是電池內(nèi)部出現(xiàn)問題,一般的BMS就不太管用了。”王子冬建議,BMS研究的重點(diǎn)應(yīng)該在電芯的檢測和事故前的監(jiān)控上,BMS不能是“事后諸葛亮”。
 
  電池設(shè)計(jì)要從整體系統(tǒng)優(yōu)化
 
  值得注意的是,目前有相當(dāng)一部分安全事故集中在充電環(huán)節(jié)。王子冬指出,正常充電過程中引發(fā)的電池起火事故正逐年上升,其中有充電設(shè)備故障引起的,也有電池過充引發(fā)的。實(shí)際上,電動汽車在停止?fàn)顟B(tài)下也會自燃,這對電池安全管理提出了更高要求,不僅在運(yùn)行過程中,在斷電狀態(tài)下也要對電池進(jìn)行有效監(jiān)管和防護(hù)。“斷電后的監(jiān)護(hù),目前還是盲點(diǎn)。”
 
  王子冬進(jìn)一步表示,隨著電動汽車保有量的上升和充電樁建設(shè)速度的加快,對充電方法和充電設(shè)施進(jìn)行更加規(guī)范化的管理,對充電電池組進(jìn)行有效的狀態(tài)檢測,十分重要。
 
  目前,行業(yè)正致力于大功率直流快充的技術(shù)攻堅(jiān)。王子冬提醒,快充對動力電池的要求很高,與之相伴的是,如何減小電池組在快充過程中單體電池之間的差異問題。“要實(shí)現(xiàn)快充,就必須在其它方面做出犧牲。”王子冬解釋,快充會在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量,過高的溫度會破壞負(fù)極材料的粘接性能,從而導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)的脫離,使電池可逆容量快速衰降、電池性能劣化,嚴(yán)重影響動力電池的使用壽命。
 
  王子冬表示,行業(yè)已經(jīng)在減小電池級片的厚度、改變電池結(jié)構(gòu),以及選擇更合適快充的材料等方面進(jìn)行調(diào)整。不過,這些都將增加動力電池的生產(chǎn)成本,電池設(shè)計(jì)需從整體角度進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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