鉅大LARGE | 點擊量：908次 | 2018年11月06日
電池技術(shù)革命性突破的第一重點是什么
9月20-23日，“第二屆GFM2018全球未來出行大會”在杭州隆重舉辦，大會整合全球頂尖智庫、產(chǎn)業(yè)資源、核心企業(yè)以及政府管理部門等出行相關(guān)的產(chǎn)業(yè)體系化資源，深入探討汽車與出行產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展趨勢與創(chuàng)新實踐，從產(chǎn)業(yè)政策、戰(zhàn)略路徑、技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新、法規(guī)標準等多維度助推汽車產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展。
本屆大會將舉辦各類主題論壇20余場，論壇架構(gòu)覆蓋出行產(chǎn)業(yè)全領(lǐng)域的重要方面，更加開放、多元、貼近產(chǎn)業(yè)實踐。其中在9月20日下午舉辦的“全球新能源汽車創(chuàng)新大會”上，中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高作了題為《新能源汽車動力電池安全性》的演講。以下為發(fā)言實錄：
各位來賓，大家下午好！剛才羅市長已經(jīng)說了，最近電動汽車事故非常引人關(guān)注，所以我今天重點來說一下電動汽車的安全性問題。我想分四個方面給大家介紹，首先是電動汽車事故統(tǒng)計。這是近年以來國外電動汽車自燃起火的原因匯總，主要是碰撞后起火。其實燃油車碰撞之后也會起火，這是國內(nèi)統(tǒng)計的起火的情況。國內(nèi)起火主要有這么幾個特征：第一，是三元電池為主，磷酸鐵鋰也有，主要是三元電池，超過一半。第二，圓柱形電池為主，這是其中一個比較主要的類型，因為它是鋼殼，卷的比較緊，所以一旦發(fā)生熱失控，它會爆炸，之后會引燃其他電池。第三，充電失火的事故占比比較大。一般來說電池如果放電到一定深度之后不會熱失控，熱失控一般都是在滿電狀態(tài)，所以在充電的時候容易引起，因為充電的時候，電池與充電系統(tǒng)連在一起，又是熱失控最容易的時候，同時還有高壓電器的短路等等，都會容易引起事故。還有，從車型的角度，新舊車型都有，電池的系統(tǒng)比能量并不是很高，因為現(xiàn)在發(fā)生事故的主要是前幾年裝的車，總體來看系統(tǒng)比能量并不是非常高，并不是我們所認為的非常高的比能量電池。
電池?zé)崾Э貞?yīng)該說是這些事故的主因，什么叫電池的熱失控呢？電池溫度到達一定時候電池就會有連鎖的負反應(yīng)，放熱的反應(yīng)，所以溫度快速上升，最高的速度可以達到每秒鐘溫升接近1千度，所以它的速度是非?？斓摹?/p>
熱失控是什么引起的呢？首先是電池過熱了，剛才說了，電池?zé)崃瞬艜崾Э?，過熱的原因有各種各樣的，有可能是電池包本身溫度不均勻，有局部區(qū)域溫度高，過充過放、外短路、內(nèi)短路等等這些電的原因會放熱，還有機械原因，比方進水、密封不好、碰撞等等。
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%
下面我們看看最近這些事故的主體原因，我們認為是產(chǎn)品質(zhì)量問題。產(chǎn)品質(zhì)量問題就是指產(chǎn)品在設(shè)計、制造、驗證、使用過程中沒有嚴格遵守相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范。主要有三類，第一，電池產(chǎn)品測試驗證不足；第二，車輛使用過程中可靠性變化；第三，充電安全管理技術(shù)有問題。下面我們來分析一下這幾個方面。
首先，電池產(chǎn)品測試驗證不足。由于補貼退坡的政策周期是一年一次，與產(chǎn)品的開發(fā)周期總體來看不是很匹配，比如說我們化學(xué)材料體系的改進一般要一年以上，但是因為企業(yè)跟著補貼的指揮棒走，盲目的追求高比能量，縮短了測試驗證的時間。有時候為了縮短開發(fā)周期往往首選物理的改進方法，比如把電池活性材料增厚，隔膜減薄，這樣電池比能量會上升，但是安全性能下降。
第二是電動電池測試驗證的手段不完善，不能反映實車的使用條件，很大一部分企業(yè)并沒有建立企業(yè)內(nèi)部的電池安全測試標準，部分企業(yè)甚至就沒有電池安全測試的能力，生產(chǎn)出來的質(zhì)量也就是參差不齊的。
第三個原因就是剛才說到車輛使用老化過程中可靠性降低。比如說全生命周期中防水的效果不佳，一般我們電池的密封是要通過IP67標準，但是當車輛使用時間長了之后，密封就會變差，導(dǎo)致車輛進水，就會容易造成短路。還比如電池的激光焊接的接頭，焊接點內(nèi)部容易出現(xiàn)空隙，這些空隙就會帶來阻抗增加，進而發(fā)熱導(dǎo)致高溫點，引起熱失控。還有就是電池系統(tǒng)和充電機高壓電器老化，比如我們充電時候的接觸器經(jīng)常開斷，有時候就會拉弧，造成高溫和接觸器表面的這種燒損或者粘連，會短路、會發(fā)熱，這些都是熱失控的原因。
第四個原因就是充電，充電過程中數(shù)據(jù)通訊不規(guī)范，BMS的廠商和充電機的廠商沒有嚴格的執(zhí)行新頒布的國家標準。充電的功能安全，按道理我們的電池管理系統(tǒng)關(guān)于充電是有很好的斷電功能的，充到什么時候都是由電池管理系統(tǒng)控制的，我們目前并沒有嚴格執(zhí)行功能安全的規(guī)范，就是ISO26262這個規(guī)范，目前并沒有完全的貫徹落實這個規(guī)范，這也是我們沒有遵守規(guī)范的原因?qū)е碌?。不嚴格?zhí)行充電安全的相關(guān)標準，比如說我們充電繼電器的粘連應(yīng)該有診斷功能，但有的為了節(jié)省成本就沒有。電池管理系統(tǒng)與充電樁沒有裝備合格的絕緣檢測裝置，車輛與充電樁形成的充電回路沒有滿足標準要求的絕緣電壓、爬電距離、過載、IP等級、插拔力、鎖止、溫升、雷擊等各項指標要求，BMS未嚴格遵守充電引導(dǎo)的規(guī)范。為什么說是質(zhì)量問題？就是我們在設(shè)計、制造、使用、驗證各個環(huán)節(jié)，沒有嚴格的遵守標準和規(guī)范，當然我們也缺少一些，比如說我們的安全年檢，這是缺少的，但這不是企業(yè)的事，這是政府要做的事情。
高比能量電池面臨更嚴峻的安全技術(shù)挑戰(zhàn)，所以我下面說一下這方面的問題。
根據(jù)中國新能源汽車動力電池比能量發(fā)展的趨勢，我們很快就會向300瓦時/公斤的高比能量電池邁進，很快這些產(chǎn)品就會進入市場，就是所謂的高鎳三元811電池很快就會進入市場，這些高比能量的電池會比原先的這些相對低的比能量的電池所面臨的安全技術(shù)的要求會更高。在這方面，我們清華大學(xué)專門建了電池安全實驗室開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，在這里給大家簡單的介紹一下研發(fā)結(jié)果，供大家參考。
目前清華大學(xué)電池安全實驗室跟國內(nèi)外企業(yè)和研究機構(gòu)開展了廣泛的合作，包括寶馬、奔馳、日產(chǎn)等大公司。
研究重點是在熱失控的三個方面，一是熱失控的誘因，包括熱、電、機械的原因。二是熱失控發(fā)生的機理究竟是什么，從而在材料設(shè)計層面加以防護。三是熱蔓延，一旦單體電池防止不了熱失控，就得有二次防護手段，就是在系統(tǒng)層面要切斷熱失控的蔓延，只要切斷蔓延就可以防止事故。我們對高比能量電池的熱失控控制，不僅靠材料本身，還要從系統(tǒng)層面來進行。
首先是關(guān)于熱失控的發(fā)生機理與抑制。我們從兩個實驗手段上開展，一個是從事材料熱穩(wěn)定性研究的差示掃描量熱儀，一個是電池單體熱失控測量的加速量熱儀。
高比能量電池?zé)崾Э氐膸讉€特征溫度。一般來說，當電池溫度升高到一定程度，電池就會自產(chǎn)熱，我們把這個溫度叫T1，產(chǎn)熱發(fā)生到一定程度無法抑制，熱失控觸發(fā)，叫T2，最后溫度上升到最高點我們叫T3。熱失控機理不清楚的主要是發(fā)生在T2到T3階段。一般認為是內(nèi)短路造成的，對常規(guī)電池的確是這樣，但是我們在研究中發(fā)現(xiàn)對高比能量不完全是這樣。我們發(fā)現(xiàn)沒有內(nèi)短路，照樣有熱失控。這是因為高比能量電池的耐高溫新型隔膜到200度以上沒有變化，電解液基本完全蒸發(fā)了，但在230-250度時，正極材料相變放出的氧與負極反應(yīng)產(chǎn)生了放熱高峰。
另外我們看一下各種不同鎳含量的三元鋰離子電池的差異。811電池跟現(xiàn)在常用的622或者532相比，811的放熱峰明顯的都比其它高很多，表明811的熱穩(wěn)定性較差。經(jīng)過分析我們得到的初步結(jié)論是，高鎳正極對全電池安全有較大的影響，硅炭負極對安全在初期影響不大，但是在循環(huán)衰減后影響比較大。
應(yīng)對這種熱穩(wěn)定差也有一系列的改進途徑，比如說材料的包覆等，我們還發(fā)現(xiàn)了一個新的方法，就是用單晶顆粒來替代多晶的正極材料，電池的熱穩(wěn)定性有非常好的改善，相應(yīng)的安全性也有很好的改善。
第二就是熱蔓延，真正的事故是熱蔓延導(dǎo)致的，就是一個電池單體熱失控之后，所有電池包全部蔓延起來，著火事故就發(fā)生了。
根據(jù)我們對熱失控蔓延過程的測試和仿真的傳熱分析，設(shè)計了一種隔熱的方法，就是在主導(dǎo)傳熱的路徑上加隔熱材料，實驗發(fā)現(xiàn)確實達到了隔斷熱失控蔓延的效果。這種防火墻技術(shù)已經(jīng)在中國倡導(dǎo)的國際電動汽車熱失控蔓延的法規(guī)中得到采納。
第三個方面，是熱失控的誘因和電池管理。第一個誘因就是內(nèi)短路，對在用電池和事故電池的分析發(fā)現(xiàn)，電池制造時均勻的極片在使用一段時間之后會產(chǎn)生折疊區(qū)域的破裂，容易發(fā)生局部的析鋰，從而導(dǎo)致熱失控。另外就是制造過程中的雜質(zhì)也會引起內(nèi)部的短路，我們把這個叫電池的癌癥，因為不知道它什么時候誘發(fā)熱失控，有時候往往會經(jīng)歷很長時間之后產(chǎn)生內(nèi)短路。為此我們發(fā)明了電池內(nèi)短路的一個替代實驗方法，通過在一個特定電池里面植入記憶合金實現(xiàn)預(yù)期的內(nèi)短路。我們研究之后把內(nèi)短路分成了四類，其中鋁集流體和負極相連是最危險的內(nèi)短路。也是必須要提前預(yù)警的，為此我們做了一系列的研究，并獲得了內(nèi)短路的三階段演變過程。第一階段，只有電壓的下調(diào)，沒有溫度的上升；第二階段才有溫度的上升，第三階段才發(fā)生急劇的溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。根據(jù)這個演變過程，我們爭取在前兩個階段把內(nèi)短路判別出來，就可以提前15分鐘將可能引發(fā)熱失控的內(nèi)短路預(yù)警出來，這一技術(shù)已經(jīng)與寧德時代進行了合作。
第二個方面就是充電，我們通過測試分析搞清了過充熱失控機理，在此基礎(chǔ)上，通過熱電耦合模型來預(yù)測電池過充熱失控的表現(xiàn)。過充事故一般是微過充，比如電池的不一致性導(dǎo)致的，因為不一致，充電過程中有的地方已經(jīng)充滿了，有的地方還沒有充滿，就會導(dǎo)致有一些充滿的電池微過充，接著就會在負極材料上析鋰，產(chǎn)生鋰枝晶，就是所謂的析鋰，導(dǎo)致安全性變差，導(dǎo)致短路。
為了解決這一問題，我們開發(fā)了基于參比電極的無析鋰快充技術(shù)，把負極的電位控制在零以上(零以下會析鋰)，這需要增加一個電極，即三電極。在三電極基礎(chǔ)上，可以基于模型進行反饋和觀察，這就是我們的無析鋰快充技術(shù)，這種技術(shù)應(yīng)用之后就沒有析鋰發(fā)生，而且充電速度加快。
第三個原因是老化。電池老化后的不一致性會擴大，這就是電池循環(huán)次數(shù)的增加不一致性會變得越來越大的原因，而隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也就很差。另外，低溫環(huán)境下的老化會嚴重影響電池的熱穩(wěn)定性，發(fā)生熱失控的自生熱溫度會降低，這就更容易導(dǎo)致熱失控。
通過對這些問題的分析，我們發(fā)現(xiàn)保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進的電池管理系統(tǒng)。目前，在電池管理系統(tǒng)方面，國內(nèi)的產(chǎn)品的功能不足、精度不夠，尤其是安全功能是不全，因此需要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華在電池管理系統(tǒng)的積淀比較豐富，已經(jīng)獲得65項專利授權(quán)，這些專利在國內(nèi)外著名公司合作中得到了應(yīng)用，其中部分專利也授權(quán)給了奔馳汽車公司。
那么我們?nèi)绾螐氐捉鉀Q電池安全性問題？近期可以通過一些技術(shù)來保障安全性，但是長遠看，要保障電池的絕對安全就需要前瞻性的科學(xué)研究。鋰離子動力電池高比能是全世界范圍的發(fā)展方向和趨勢，我們不能因為有安全問題就不發(fā)展高比能量電池，關(guān)鍵是把握高比能量與安全性之間的平衡點。比如高鎳三元鋰離子動力電池的本征安全問題，其機理是正極會釋放氧，我們可以通過界面的修飾來延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性；再一個就是開發(fā)下一代的固態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決電解液燃燒的問題。
基于各國動力電池技術(shù)路線的比較，短期是液態(tài)電解液的鋰離子電池，下一步將會向固態(tài)電池方向發(fā)展。綜合考慮電池成本和動力電池的發(fā)展方向，我們建議我國也應(yīng)該走類似的路徑，即短期是液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負極，通過電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來防止安全事故發(fā)生，這類電池能夠滿足電動汽車500公里續(xù)駛里程的要求。中長期，從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池，估計在2030年全固態(tài)電池將會得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
總之，我們要力爭解決動力電池本征安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。對我的報告的總結(jié)，可以歸納為：
我們要正確看待近期新能源汽車起火的事件，其主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題，沒有遵守技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標準、技術(shù)驗證周期的偏短等等。
在政策方面的建議包括：
第一，原有的產(chǎn)業(yè)化目標(2020年單體達到350瓦時/公斤，系統(tǒng)260瓦時/公斤，循環(huán)壽命2000次)是偏高的，從安全角度考慮，我認為不宜強行推行。
第二，補貼政策要符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，對能量密度的提升不宜過快、不宜更改過頻，這是我對財政部的建議。
第三，盡快推出電動汽車安全年檢規(guī)范。同時，為了更好處理和分析電動汽車事故，最好有電動汽車黑匣子，同時電池包要留有消防安全的接口，目前的電池包封的很死，導(dǎo)致消防滅火的時候困難重重，這些是對公安部的建議。
最后，我覺得電池安全是電池技術(shù)革命性突破的第一重點，也是純電動汽車性能提升的第一關(guān)鍵，電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展越后期電池安全就越變成一個瓶頸技術(shù)，比如十分鐘充300公里以上的電的快充技術(shù)，會對電池安全帶來挑戰(zhàn)，電壓從300V提高到600V甚至800V，這些都與安全相關(guān)，也是今后純電動汽車競爭的主戰(zhàn)場?？梢哉f安全是電動汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線，動力電池國家科技研發(fā)，要以安全為核心，全面提升現(xiàn)有鋰離子動力電池系統(tǒng)安全技術(shù)，全力突破新型固態(tài)電池技術(shù)。
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