鉅大LARGE | 點擊量：1036次 | 2021年05月20日
什么是三元鋰離子電池，三元鋰離子電池安全嗎？
動力鋰電池作為新能源汽車的心臟，一直有著磷酸鐵鋰與三元鋰離子電池的技術(shù)路線之分。前不久，一則有關(guān)三元材料電池的新聞引起軒然大波：暫停三元鋰離子電池客車列入新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄。瞬時間，一場有關(guān)三元鋰離子電池安全性的辯論正式上演。
當新能源汽車站到了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)口，作為新能源汽車心臟的動力鋰電池，正在經(jīng)歷冰火兩重天。2016年一月十四日，工信部公布《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》，《目錄》中未包含三元系電動商用客車。這意味著，未進入《目錄》的車型將無法享受政府補貼以及免購置稅（10%）的政策優(yōu)惠。雖然只是暫停，但這一決定還是給蓬勃發(fā)展的三元鋰離子電池行業(yè)潑了一盆冷水。
電動汽車行業(yè)安全無小事，任何謹慎都不為過。圍繞汽車動力鋰電池，如何平衡續(xù)航和安全兩大問題，再度成為業(yè)內(nèi)探討的話題。近來，持續(xù)多日的三元鋰離子電池爭議仍在發(fā)酵。為了讓討論更接近真理，頭腦風(fēng)暴正在持續(xù)。2015年二月二十六日下午，在一家咖啡店內(nèi)一場有關(guān)有關(guān)三元鋰離子電池安全性的頭腦風(fēng)暴正在上演。事實上，電池路線之爭由來已久，這次三元材料動力鋰電池被單獨暫停用于新能源客車，動力鋰電池公司、整車廠、業(yè)界專家對此看法不一，甚至立刻激起眾多的不同意見站隊。
之所以會出現(xiàn)今天的暫用現(xiàn)象，究其根本還是因為有所選擇余地。據(jù)了解，目前國內(nèi)純電動汽車的電池技術(shù)路線大體上分為兩種：一種是三元電池，另外一種是磷酸鐵鋰離子電池。
從熱失控溫度來看，磷酸鐵鋰熱失控溫度高于三元體系（三元190℃，磷酸鐵鋰230℃），其正極材料安全性有優(yōu)勢。就裝車單位的電池包來看，三元電池比起磷酸鐵鋰其體積小15%以上、重量輕20%以上，使用三元的車輛空間活用度更大。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
數(shù)據(jù)顯示，在全球范圍內(nèi)，三元鋰離子電池目前占全球性鋰離子電池市場的80%以上。根據(jù)全球經(jīng)營咨詢專業(yè)公司ATKearney的資料統(tǒng)計，整體鋰電子二次電池兩極材料市場中，93%為三元電池材料，在要較高的輸出與安全性的電動汽車用電池市場上，占有率超過81%。
反觀國內(nèi)市場，2015年國內(nèi)動力鋰電池出貨量達15.7Gwh，其中磷酸鐵鋰離子電池仍占主導(dǎo)，占據(jù)市場近69%份額；三元材料電池出貨量占比27%。具體而言，在乘用車領(lǐng)域，電池類型則以三元材料為主，電池出貨量達1.93Gwh；在客車領(lǐng)域，重要以搭載磷酸鐵鋰離子電池為主，占純電動客車電池量的84%，對應(yīng)三元材料電池僅占12.9%。
我國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會秘書長劉彥龍表示，從2015年動力鋰電池的應(yīng)用情況來看，規(guī)模達到200多億，70%以上為磷酸鐵鋰，尤其客車占的比重較大，乘用車更多往三元發(fā)展。但2016~2020年的新能源客車補貼政策提出了Ekg的要求，促使客車公司向三元鋰轉(zhuǎn)移。
誤解還是真相？堵還是疏？
使用三元鋰離子電池的新能源客車是否真的安全？這一問題想必正是那些提出暫停三元鋰離子電池應(yīng)用的人們的顧慮所在，從技術(shù)角度來說，三元鋰離子電池材料的熱失控溫度確實低于LFP，容易引起火災(zāi)。
然而，自2011年以后，國內(nèi)發(fā)生的電動汽車起火事故的數(shù)量來看，實際上磷酸鐵鋰離子電池引起的起火事故比三元電池引起的事故多。據(jù)媒體報道統(tǒng)計，自2011年至今，在我國境內(nèi)發(fā)生的新能源車火災(zāi)事故22起中，由磷酸鐵鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)共20起，由三元電池引發(fā)的共2起。
因此，新能源汽車的安全性并不能以單一材料來判斷。這并不科學(xué)，也無依據(jù)。中投顧問新能源行業(yè)研究員蕭函也認為，安全性的標準不僅在于電池，還要關(guān)注電池成組的應(yīng)用安全設(shè)計是否安全。動力鋰電池的應(yīng)用安全是一個系統(tǒng)工程，在不能保證電池?zé)崾Э赝耆话l(fā)生的情況下，要通過BMS（電池管理系統(tǒng)）、TMS、熔斷保護、熱障、結(jié)構(gòu)集成等，在成組設(shè)計中設(shè)置多重的安全保證。因此，我們要對電池的安全加以系統(tǒng)的重視，而不是孤立地討論技術(shù)路線和安全。
在討論過技術(shù)路線的安全性后，作為新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，電池生產(chǎn)廠家無疑也是此次事件的中槍者之一。
按照動力鋰電池行業(yè)發(fā)展的規(guī)律，一個電池廠的業(yè)務(wù)從新能源客車轉(zhuǎn)到乘用車要經(jīng)過2~3年左右的乘用車開發(fā)周期，關(guān)于已經(jīng)進行了產(chǎn)線設(shè)備、人才儲備等前期投資的電池廠而言，假如突然轉(zhuǎn)向，極有可能造成其資金周轉(zhuǎn)困難、行業(yè)冰凍的尷尬局面，電池廠甚至?xí)鎸ι来嫱龅奈C。另一方面，采用三元電池的部分客戶已經(jīng)向我們要求取消或延遲訂單。來自三元鋰離子電池廠商的一位業(yè)內(nèi)人士表示。
可想而知，這一暫停決定關(guān)于生產(chǎn)三元鋰離子電池的公司而言，影響是巨大的。暫停補貼之下，以三元系電池為主導(dǎo)的動力鋰電池廠商何去何從？另一方面，從整個行業(yè)發(fā)展來看，這也將影響新能源行業(yè)未來發(fā)展的方向。目前國內(nèi)公司對三元鋰離子電池的布局進入，業(yè)內(nèi)人士擔心，假如長時間將此事擱置，將會影響整個新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。
堵還是疏，并不是一個人、一個政策或是一個公司能夠決定的，要想產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，必須在遵循市場規(guī)律的基礎(chǔ)上，加以適度科學(xué)的宏觀調(diào)控。的確，目前國內(nèi)動力鋰電池廠的三元電池產(chǎn)品的質(zhì)量的確參差不齊，尤其是復(fù)雜的三元材料對工藝要求更高，且三元鋰離子電池安全性能的提升要動力鋰電池公司和車企配合完成，但目前國內(nèi)鮮有本土動力鋰電池廠能夠跨越這一門檻。這種暫緩的初衷是規(guī)范行業(yè)和市場，存在一定的必要性。
安全問題的關(guān)注點不應(yīng)該完全聚焦材料，電池的產(chǎn)熱散熱是更重要的方面。王慶生表示，三元材料和磷酸鐵鋰等其他正極材料都有各有利弊，光拿材料說安全性太片面，材料在不同環(huán)境、結(jié)構(gòu)、體積、生產(chǎn)工藝等條件下有不同的應(yīng)用結(jié)果，這是一個很大體系的工程。我們要做的是發(fā)揮電池材料的優(yōu)勢，屏蔽劣勢。
王慶生進一步解釋，材料安全不安全不是從本身的物理指標判斷，使用過程中怎么樣控制好和使用好是最重要的。三元材料本身的氧化放熱還原的溫度和磷酸鐵鋰有一定的差別，但是不代表著磷酸鐵鋰材料氧化放熱溫度高就是安全的。研究電池的安全性是從熱出發(fā)的，假如把電池本身設(shè)計產(chǎn)熱非常低，散熱又非常好，不論什么體積，用的什么材料，其實都是安全的。概念上的錯誤導(dǎo)致了大家認為三元材料不安全，磷酸鐵鋰也相同存在著隱患，所以研究材料的安全性是在結(jié)合材料的物化指標，研究相配材料和產(chǎn)熱機理，散熱機理，而不是材料安全不安全，這個無從談起。
有關(guān)怎么提升三元材料電池體系或者各種體系電池的安全性，王慶生說，從材料選擇到電池制作，PACK成組分配，整個系統(tǒng)控制管理、充電管理和應(yīng)用執(zhí)行管理監(jiān)控等各個環(huán)節(jié)組成一個大系統(tǒng)，系統(tǒng)里的每一個環(huán)節(jié)都能成為電池安全性的不穩(wěn)定因素。所以，各個環(huán)節(jié)的技術(shù)提升，產(chǎn)品質(zhì)量提升，工藝穩(wěn)定性提升，這才是最重要的。
各種材料都有不安全的因素，就材料本身，三元材料和磷酸鐵鋰材料發(fā)熱熱失控的時候，熱分解的溫度會有差異，三元在溫度更低一些，磷酸鐵鋰材料可能會更高一些。另外，公司在做試驗的時候，濫用的情況下，擠壓做試驗看到的結(jié)果是三元材料會短時間內(nèi)發(fā)生更嚴重的結(jié)果。此外，安全保護措施也是十分重要的，假如有更好的安全保護系統(tǒng)，三元材料也可以實現(xiàn)更安全。劉彥龍表示。
劉彥龍分析，從2015年動力鋰電池的應(yīng)用情況來看，規(guī)模達到200多億，70%以上為磷酸鐵鋰，尤其客車占的比重較大，乘用車更多往三元發(fā)展。但是2016～2020年的新能源客車補貼政策提出了Ekg（單位載質(zhì)量電能消耗量）的要求，促使客車公司向三元鋰離子電池方向轉(zhuǎn)移。
傳言我國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會向政府建議取消三元電池屬誤傳，不論是從產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還是技術(shù)發(fā)展的角度看，三元電池依然是未來發(fā)展的方向。劉彥龍親自辟謠。
如何做好三元材料電池保護措施呢？在劉彥龍看來，首先是從電池制造的環(huán)節(jié)要采取一些措施，包括生產(chǎn)的環(huán)境、生產(chǎn)材料本身閥值以及含量控制；第二是生產(chǎn)品質(zhì)監(jiān)控，包括在線監(jiān)控、一致性監(jiān)控等。這樣做成電芯以后，單個電芯一旦發(fā)生了問題，就不會引起周邊電池或整個電池組連鎖反應(yīng)，以免造成更大的傷害；第三是電池在整車應(yīng)用上要采取安全措施，一旦電池在使用過程中出現(xiàn)了問題，能讓乘客有機會、有時間撤離。
怎么來保證電池包的系統(tǒng)安全呢？馬俊峰講到，應(yīng)該是從整車開始，在整車設(shè)計的時候電池包公司就要介入。從主動角度來說，安全問題，要將電芯、BMS（電池管理系統(tǒng)）、線速、系統(tǒng)設(shè)計等都結(jié)合在一起，這是要我們做的技術(shù)。從被動角度來說，假如電池真出問題了，就要考慮如何保障車上的人安全逃離，所以在設(shè)計上要盡可能地延緩事故的蔓延速度。我們在考慮幾項技術(shù)，一個是外部短路的管控，還有組間的隔離，某一個電芯一個組出了問題，就不能很快地蔓延到其他的地方；還有電池包對防火性能的處理，國際上有標準，什么情況下人員是在不同的事故環(huán)境下，從車內(nèi)逃離出來，都是有標準的。
馬俊峰介紹，波士頓電池在之所以選擇三元鋰技術(shù)路線，是因為電動汽車有輕量化的發(fā)展方向，Ekg指標已經(jīng)決定了要尋找高能量密度的技術(shù)路線。從現(xiàn)在看，三元材料相對來說是可以量產(chǎn)、能源密度高、低溫性能達到一定水準的材料，目前波士頓三元鋰離子電池成組以后的能量密度可以達到125Wh/kg左右。
安全跟電池材料的關(guān)系不是很大，更重要的是應(yīng)用的場景。馬俊峰說，隨著新能源汽車保有量一路狂奔，出事的幾率也越來越大，因此反思電池安全問題是有必要的。從什么角度可以保證我們現(xiàn)在這個行業(yè)發(fā)展會更好，怎么保證車輛不發(fā)生大事故，或者說即使是發(fā)生了著火、爆炸的事故，如何保證車上的人能夠安全離開？這就要考慮電池?zé)峁芾矸椒ā?/p>
磷酸鐵鋰離子電池與商業(yè)化要求相差大
電池的安全關(guān)鍵還是要看使用。電池的散熱假如做得好，不管什么材料都相對安全。某些概念誤解引發(fā)了對個別材料的偏見。我們應(yīng)該要研究散熱機理，加強熱量管控，盡量將熱量釋放出去，電池才會更安全。聶亮講述了對三元電池的看法。
在聶亮看來，業(yè)界對安全性的夸大擔心，造成了暫緩三元材料使用的局面，這也許還會嚇跑投資者們。我們要用事實說話，下一步的技術(shù)提升研究實踐才是最重要的。
聶亮說，首先要承認電池都存在不安定因素，哪怕做到1ppm，甚至0.3ppm，電池都有可能出現(xiàn)燃燒的情況。所以就要看電池PACK了，做好PACK就能防護好電池。在實際使用過程中，很多情況是車先燒起來，而不是電池先燒起來，這就要對電池做好隔絕措施，如整車的內(nèi)飾織物等。
技術(shù)從來不是問題，就怕沒有信心！聶亮說，新能源汽車行業(yè)發(fā)展要一個積累過程，2016年～2020年這個階段的發(fā)展很關(guān)鍵。新能源車輛在國家堅定的扶植下，終于迎來了曙光，行業(yè)、公司等都應(yīng)保持信心，齊心協(xié)力解決發(fā)展中遇到的問題，一直走下去。
電動汽車出現(xiàn)著火問題，一定要從系統(tǒng)的角度來考慮問題，而不是單一地從材料來說問題。北京佐思信息咨詢有限責(zé)任公司首席顧問佟子謙談到，從安全的角度來講，業(yè)內(nèi)討論認為固態(tài)電池是最安全的，但離市場化應(yīng)用還很遠。假如講材料，曾有人這樣分析過電動汽車的安全因素：電池占了10%，在運營維護、系統(tǒng)組成、充電方面各占30%。所以，不是簡單考慮某一個材料的問題，電池安全要結(jié)合區(qū)域、車輛、環(huán)境等因素來綜合考慮。
佟子謙還提到，目前電池安全性方面的標準和法規(guī)還要完善。標準法規(guī)是衡量的尺度，能保障整個行業(yè)健康有序發(fā)展。比如電芯有標準，PACK部分去年才出的標準，但是運營的標準呢？電池里面電芯、材料是一個環(huán)節(jié)，PACK是一個環(huán)節(jié)，運營、使用和維護、充電等各個環(huán)節(jié)，都是要在安全標準環(huán)節(jié)更進一步體現(xiàn)的。
電池重要由四部分材料組成：正級，負級，電解液和隔膜。電解液一般是有機溶劑，也是最先著火的。業(yè)內(nèi)爭論安全問題，不應(yīng)該在正級三元材料上，而是品質(zhì)方面的管控。電池起火重要是里面的熱量積聚在一起沒有辦法擴散出去，只要想辦法盡快地把熱量釋放出去也可以做到很安全。宋華杰說。
宋華杰介紹，比克電池最初重要發(fā)展磷酸鐵鋰離子電池，后來基于輕量化和能量密度兩點考慮，逐步替換成三元材料。國家要求動力鋰電池能量密度2020年達到300wh/kg，靠磷酸鐵鋰比較困難，所以選擇三元材料方向。比克電池成組以后能量密度約為120～130wh/kg。
有關(guān)安全性，宋華杰從三個部分進行了分析。首先，從單體的結(jié)構(gòu)來說，做結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候要考慮電池一旦發(fā)生了失效，怎么能夠自己保護，自己預(yù)防。舉個例子，現(xiàn)在用的18650電池，就設(shè)有一個防線，設(shè)計了CID，電流截流裝置，一旦電流過大會自動斷開。
第二，有關(guān)材料選擇，可以通過對材料進行改性，以確保安全。比如電解液是最容易出事的，可以添加一些添加劑，通過研發(fā)，添加阻燃劑、新增陶瓷隔層，對正級添加一些穩(wěn)定結(jié)構(gòu)元素等。
第三，鋰離子電池的生產(chǎn)過程是非常復(fù)雜的，要注意幾個工序中的問題。生產(chǎn)車間的溫濕度和粉塵、金屬異物，尤其是金屬異物，會使制造過程中出現(xiàn)電池內(nèi)短路現(xiàn)象，要了解電池最危險的就是內(nèi)短路，發(fā)生了內(nèi)短路正負級會解除導(dǎo)致電池失效。此外，電動汽車使用過程中不是單個電池，而是成千上萬的電池進行串并聯(lián)，進行DMS設(shè)計的時候要進行溫度管控，一旦哪個模組出現(xiàn)了問題，就能迅速進行報警，預(yù)警是DMS要加強的。電池做出來后，還要進行一系列的性能安全監(jiān)測，而不是做完了就出廠。
同時，宋華杰希望相關(guān)部門加大監(jiān)管，根據(jù)相關(guān)規(guī)定和標準對電池產(chǎn)品進行測試。并且要針對出現(xiàn)的問題制定一個新的標準，或者是對已有的標準及時進行修訂，加嚴標準的控制，用以提升產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量。
我們之所以選擇三元材料體系是因為可塑性強、能源密度高，去年工信部有一個規(guī)定，在物流車這塊電子包的整包質(zhì)量不能超過整車質(zhì)量的25%，也就是在輕量化這塊決定了三元材料成為后續(xù)的主流。譚浩海介紹到，我個人認為目前國內(nèi)的三元電芯與國外的品質(zhì)差異取決于設(shè)備、自動化程度上的差異。東福斯特后續(xù)策略仍然以三元材料為主。
電池安全的導(dǎo)火線是電池組、電芯、PACK以及使用的習(xí)慣。三元和磷酸鐵鋰材料存在非常大的差異，三元材料對溫度不是特別的敏感，但北方市場假如用磷酸鐵鋰，能量轉(zhuǎn)換率要大打折扣，原來跑100公里，在北方可能只能跑60公里，最多70公里。三元材料在這塊是非常有優(yōu)勢的，目前新能源行業(yè)是新生的行業(yè)，要業(yè)內(nèi)共同把這個難關(guān)攻破，非常看好三元材料在后期的廣泛應(yīng)用。
譚浩海說，目前新能源行業(yè)安全問題的焦點是電池自燃，這應(yīng)該從源頭抓起，從設(shè)備的自動化程度、管理系統(tǒng)的引入以及充電樁的配套等，這幾個板塊都是缺一不可的。除了將這幾塊整合起來，還要看公司的社會責(zé)任意識。這一點非常關(guān)鍵，公司究竟是為了乘行業(yè)趨勢大撈一筆，還是真正想為新能源汽車產(chǎn)業(yè)盡自己的一份力量。
