鉅大LARGE | 點擊量：1988次 | 2021年05月15日
解釋電動汽車電池為何會頻繁爆炸
新能源汽車動力鋰電池安全性
最近電動汽車事故非常引人關注，所以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計。這是近年以來國外電動汽車自燃起火的原因匯總，重要是碰撞后起火。其實燃油車碰撞之后也會起火，這是國內統計的起火的情況。國內起火重要有這么幾個特點：第一，是三元電池為主，磷酸鐵鋰也有，重要是三元電池，超過一半。第二，圓柱形電池為主，這是其中一個比較重要的類型，因為它是鋼殼，卷的比較緊，所以一旦發生熱失控，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。一般來說電池假如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，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，電池的系統比能量并不是很高，因為現在發生事故的重要是前幾年裝的車，總體來看系統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。
電池熱失控應該說是這些事故的主因，什么叫電池的熱失控呢？電池溫度到達一按時候電池就會有連鎖的負反應，放熱的反應，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，所以它的速度是非常快的。
熱失控是什么引起的呢？首先是電池過熱了，剛才說了，電池熱了才會熱失控，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，有局部區域溫度高，過充過放、外短路、內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。
下面我們看看最近這些事故的主體原因，我們認為是產品質量問題。產品質量問題就是指產品在設計、制造、驗證、使用過程中沒有嚴格遵守相關技術標準和規范。重要有三類，第一，電池產品測試驗證不足；第二，車輛使用過程中可靠性變化；第三，充電安全管理技術有問題。下面我們來分析一下這幾個方面。
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%
首先，電池產品測試驗證不足。由于補貼退坡的政策周期是一年一次，與產品的開發周期總體來看不是很匹配，比如說我們化學材料體系的改進一般要一年以上，但是因為公司跟著補貼的指揮棒走，盲目地追求高比能量，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，很大一部分公司并沒有建立公司內部的電池安全測試標準，部分公司甚至就沒有電池安全測試的能力，生產出來的質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，焊接點內部容易出現空隙，這些空隙就會帶來阻抗新增，進而發熱導致高溫點，引起熱失控。還有就是電池系統和充電機高壓電器老化，比如我們充電時候的接觸器經常開斷，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，充電過程中數據通訊不規范，BMS的廠商和充電機的廠商沒有嚴格的地執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有關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控制的，我們目前并沒有嚴格執行功能安全的規范，就是ISO26262這個規范，目前并沒有完全地貫徹落實這個規范，這也是我們沒有遵守規范的原因導致的。不嚴格執行充電安全的相關標準，比如說我們充電繼電器的粘連應該有診斷功能，但有的為了節省成本就沒有。電池管理系統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的規范。為何說是質量問題？就是我們在設計、制造、使用、驗證各個環節，沒有嚴格的遵守標準和規范，當然我們也缺少一些，比如說我們的安全年檢，這是缺少的，但這不是公司的事，這是政府要做的事情。
高比能量電池面對更嚴峻的安全技術挑戰，所以我下面說一下這方面的問題。
根據我國新能源汽車動力鋰電池比能量發展的趨勢，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對的安全技術的要求會更高。在這方面，我們清華大學專門建了電池安全實驗室開展相關的基礎研究和技術開發，在這里給大家簡單地介紹一下研發結果，供大家參考。
目前清華大學電池安全實驗室跟國內外公司和研究機構開展了廣泛地合作，包括寶馬、奔馳、日產等大公司。
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。二是熱失控發生的機理究竟是什么，從而在材料設計層面加以防護。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，還要從系統層面來進行。
首先是有關熱失控的發生機理與抑制。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。
高比能量電池熱失控的幾個特點溫度。一般來說，當電池溫度升高到一定程度，電池就會自產熱，我們把這個溫度叫T1，產熱發生到一定程度無法抑制，熱失控觸發，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重要是發生在T2到T3階段。一般認為是內短路造成的，對常規電池的確是這樣，但是我們在研究中發現對高比能量不完全是這樣。我們發現沒有內短路，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了，但在230-250度時，正極材料相變放出的氧與負極反應出現了放熱高峰。
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的熱穩定性較差。經過分析我們得到的初步結論是，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，但是在循環衰減后影響比較大。
應對這種熱穩定差也有一系列的改進途徑，比如說材料的包覆等，我們還發現了一個新的方法，就是用單晶顆粒來替代多晶的正極材料，電池的熱穩定性有非常好的改善，相應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，著火事故就發生了。
根據我們對熱失控蔓延過程的測試和仿真的傳熱分析，設計了一種隔熱的方法，就是在主導傳熱的路徑上加隔熱材料，實驗發現確實達到了隔斷熱失控蔓延的效果。這種防火墻技術已經在我國倡導的國際電動汽車熱失控蔓延的法規中得到采納。
第三個方面，是熱失控的誘因和電池管理。第一個誘因就是內短路，對在用電池和事故電池的分析發現，電池制造時均勻的極片在使用一段時間之后會出現折疊區域的破裂，容易發生局部的析鋰，從而導致熱失控。另外就是制造過程中的雜質也會引起內部的短路，我們把這個叫電池的癌癥，因為不了解它什么時候誘發熱失控，有時候往往會經歷很長時間之后出現內短路。為此我們發明了電池內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預期的內短路。我們研究之后把內短路分成了四類，其中鋁集流體和負極相連是最危險的內短路。也是必須要提前預警的，為此我們做了一系列的研究，并獲得了內短路的三階段演變過程。第一階段，只有電壓的下調，沒有溫度的上升；第二階段才有溫度的上升，第三階段才發生急劇的溫度上升現象，也就是熱失控。根據這個演變過程，我們爭取在前兩個階段把內短路判別出來，就可以提前15分鐘將可能引發熱失控的內短路預警出來，這一技術已經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，在此基礎上，通過熱電耦合模型來預測電池過充熱失控的表現。過充事故一般是微過充，比如電池的不一致性導致的，因為不一致，充電過程中有的地方已經充滿了，有的地方還沒有充滿，就會導致有一些充滿的電池微過充，接著就會在負極材料上析鋰，出現鋰枝晶，就是所謂的析鋰，導致安全性變差，導致短路。
為了解決這一問題，我們開發了基于參比電極的無析鋰快充技術，把負極的電位控制在零以上（零以下會析鋰），這要新增一個電極，即三電極。在三電極基礎上，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，這種技術應用之后就沒有析鋰發生，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，這就是電池循環次數的新增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，低溫環境下的老化會嚴重影響電池的熱穩定性，發生熱失控的自生熱溫度會降低，這就更容易導致熱失控。
通過對這些問題的分析，我們發現保障電池系統安全性的核心是研發先進的電池管理系統。目前，在電池管理系統方面，國內的產品的功能不足、精度不夠，尤其是安全功能是不全，因此要加大電池管理系統的研發力度。清華在電池管理系統的積淀比較豐富，已經獲得65項專利授權，這些專利在國內外著名公司合作中得到了應用，其中部分專利也授權給了奔馳汽車公司。
那么我們如何徹底解決電池安全性問題？近期可以通過一些技術來保障安全性，但是長遠看，要保障電池的絕對安全就要前瞻性的科學研究。鋰離子動力鋰電池高比能是全世界范圍的發展方向和趨勢，我們不能因為有安全問題就不發展高比能量電池，關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鋰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，提高穩定性；再一個就是開發下一代的固態電解質，從根本上解決電解液燃燒的問題。
基于各國動力鋰電池技術路線的比較，短時間是液態電解液的鋰離子電池，下一步將會向固態電池方向發展。綜合考慮電池成本和動力鋰電池的發展方向，我們建議我國也應該走類似的路徑，即短時間是液態電解質，發展高鎳三元正極和硅炭負極，通過電池管理系統和熱蔓延的抑制來防止安全事故發生，這類電池能夠滿足電動汽車500公里續駛里程的要求。中長期，從液態電解質逐步過渡到全固態電池，估計在2030年全固態電池將會得到產業化應用。
總之，我們要力爭解決動力鋰電池本征安全問題，保障新能源汽車行業的健康發展。對我的報告的總結，可以歸納為：
我們要正確看待近期新能源汽車起火的事件，其重要原因是產品質量問題，沒有遵守技術規范和技術標準、技術驗證周期的偏短等等。
在政策方面的建議包括：
第一，原有的產業化目標（2020年單體達到350瓦時/公斤，系統260瓦時/公斤，循環壽命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發展的規律，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鍵，電池產業發展越后期電池安全就越變成一個瓶頸技術，比如十分鐘充300公里以上的電的快充技術，會對電池安全帶來挑戰，電壓從300V提高到600V甚至800V，這些都與安全相關，也是今后純電動汽車競爭的主戰場。可以說安全是電動汽車可持續發展的生命線，動力鋰電池國家科技研發，要以安全為核心，全面提升現有鋰離子動力鋰電池系統安全技術，全力突破新型固態電池技術。
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