鉅大LARGE | 點擊量：287次 | 2024年01月17日
隱患不少、正視不足 動力鋰離子電池安全是否會提升
作為純電動汽車的心臟，動力鋰電池直接決定了車輛的安全、壽命和性能。在動力鋰電池能量密度和性能不斷提升的過程中，安全性也成為備受關注與爭議的話題。動力鋰電池系統存在諸多安全層面的不確定性。正如我國汽車動力鋰電池產業創新聯盟副秘書長王子冬所言，由單體和系統組成的電池包，其安全性也關系著產品的方方面面，涉及面比較廣，但業內外卻對此普遍存在認識不深的問題，甚至有些概念還可能是錯誤的，這加劇了安全風險。
此前我國汽車工業協會、我國汽車動力鋰電池產業創新聯盟、我國電動汽車充電基礎設施促進聯盟組織行業編制的《電動汽車安全指南》（以下簡稱《指南》）指出，應從設計、生產、檢驗、運輸等環節重視安全，提升新能源汽車用鋰離子電池安全認知，提升安全性設計、制造及安全管控水平。那么，提升對電池的安全認知，首先就要認清什么因素影響電池安全。關注安全，就要將影響安全的各種因素盡可能找出，做到寧多勿漏。天津力神執行副總裁高俊奎說。
■電池熱失控是電動汽車起火主因
高俊奎強調，電池單體內短路、單體散熱、性能衰減引起溫度升高、機械可靠性和電池模組的內短路、散熱、電氣連接可靠性、機械可靠性是關系電池安全的重要因素，而電池系統的熱管理能力，系統內的短路、絕緣問題，密封防水性能、BMS（電池管理系統）管理能力和可靠性是決定電池包的安全因素。他進一步指出，電池安全涉及安全體系、安全設計和制造過程等各方面。
在諸多的安全隱患中，高俊奎強調，電池熱失控是新能源汽車起火事故的主因，這種過熱在電池充放電過程中最容易發生。顧名思義，熱失控就是電池內部熱量聚集，最終達到無法控制的地步，導致嚴重的事故。而目前關于鋰離子電池起火沒有有效的阻止措施，只能任由電動汽車燃燒直至熱失控過程結束。那么，又是什么原因引起了電池熱失控？目前，業內普遍認為，引發電池熱失控的原因重要是熱輻射、電池內部短路、惡劣環境濫用等引起的。如何針對熱失控進行管理？《指南》專家組的研究明確，熱失控發生起火爆炸時，電池單體上的安全保護裝置應啟動，這就要求公司在電池泄壓和噴火層面上盡心設計，噴瀉出的物質數量應有所控制，對噴出的氣體溫度和成分也要進行研究分析，以防止次生短路災害的發生。
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%
另外，鋰離子電池充電速度和使用壽命強相關，關于不具備快充熱性的動力鋰電池組，在條件允許的情況下，應減少快充的使用，盡可能選擇小倍率充電。盡管快充已經成為廠商重要的營銷噱頭，也成為消費者購買車輛的重要參考，但從安全角度看，快充并不應該被提倡，這也是要業內外廠商、消費者要正視的問題。
■使用溫度影響鋰離子電池安全
除了電池本身，使用環境也影響著電池的安全性。
電動汽車冬天為何充電不暢？這可能是困擾大部分消費者的問題。在業內專家看來，鋰離子電池具有最佳使用溫度范圍，低溫難充電是目前技術條件下不可防止的問題。不僅如此，鋰離子電池在超過最佳使用溫度范圍后甚至還會引發安全問題，較高溫度下使用易引發熱失控安全問題，低溫充電下負極又可能發生析鋰問題。那么，超過45℃和0℃以下非最佳使用溫度范圍內應如何保證電池的安全性？相關行業專家指出，應控制充放電策略，如降低倍率，保證電池在安全范圍內工作。《指南》也強調，鋰離子電池在使用過程中應控制充電方式（包括充電溫度、充電倍率和充電電壓），以保證安全。
當前，不同體系和不同設計的單體電池充電方式不同，為了確保安全，《指南》給出的建議是，電池單體制造商在供應單體電池產品時，應供應溫度-倍率-充電電壓關系圖，根據電池單體規格書設計系統充電策略。
溫度不僅對電池使用出現影響，也同樣是電池壽命、儲運安全的重要影響因素。王子冬指出，鋰離子電池在高溫下長期存儲性能會嚴重衰減，長期存放的電池再次使用時也不應直接采用快速充電的方式。《指南》也明確，電池和模組的包裝應防水、防潮，防止擠壓和損傷，且應以最小單元隔離固定，保障安全距離。在運輸過程中，也要對所處溫度進行監控，防止日曬、雨淋和受潮。
■能量密度與安全需兼顧
一味提升能量密度被認為是當前影響電動汽車安全性的根源。我國汽車工業協會常務副會長董揚曾指出，動力鋰電池的能量密度與安全性是一對矛盾，在提高動力鋰電池能量密度的同時如何保證其安全性，要深入細致地科學研究與實驗，才能把握準確的度。
如何把握這個度？高俊奎表示，要在保證安全的前提下，提升電池的比能量、縮短充電時間。我們在討論電池的容量、電池隔膜厚度時存在很大爭議。王子冬表示，從動力鋰電池的安全性角度考慮，動力鋰電池的單體容量提高與電池系統熱失控后的不穩定性成正比；電池隔膜的厚度減薄與電池系統熱失控后的不穩定性成正比。故此提出了動力鋰電池容量不建議超過100Ah（三元）、200Ah（磷酸鐵鋰），隔膜厚度不小于0.012mm的設想。但對此，也有公司認為系統熱失控后的不穩定性與生產控制水平，以及成組技術有關，目前不宜限制容量的大小。經過充分討論，《指南》中有關動力鋰電池容量確定為不斷提升電池單體的比能量是長期、系統的工作，建議要在確保安全性、可靠性和關鍵電性能指標的前提下，提升電池單體的容量和比能量。隔膜厚度確定為，隔膜厚度和電池單體安全性強相關，動力鋰電池隔膜厚度的選擇建議充分考慮由于降低隔膜厚度帶來的安全風險。
新能源汽車補貼對能量密度的青睞被認為是廠商過于追求高能量密度的原因之一。當前，2019年的補貼政策還未出臺，此前已經有業內人士建議，補貼應調整對能量密度的要求，讓廠商更多從安全角度推進電池技術進步。
■BMS和電池系統失效應引起重視
統計結果顯示，BMS失效和電池系統失效是引發新能源汽車安全事故的兩大因素。東軟睿馳高級總監郭曉東認為，當前，業內對BMS及電池系統的失效模式、失效可能出現的風險、應對措施缺乏統一認識，對BMS及電池系統安全相關的設計開發，缺乏基本要求和實踐指導。
據了解，BMS失效嚴重的可能會引起車輛起火、爆炸，或者造成動力中斷或監控保護功能失效；而電池系統失效則可能引發起火/爆炸、動力中斷或人員觸電，兩者均應引起足夠的重視。為此，郭曉東指出，針對BMS，要重視規范充放電控制策略，防止不當充放電策略引發的安全事故。同時要規范BMS故障處理機制及保護策略，確保安全事故發生時，合理觸發保護措施，防止人身傷害。在開發過程中，也要明確BMS功能安全開發要求，降低產品故障率，提升BMS產品質量及安全性。關于電池系統，則應優化動力鋰電池系統開發設計，從設計層面提高電池系統安全性，降低安全風險；優化電池系統檢測、生產設計，把控產品質量；規范優化電池系統售后、保養要求，保證產品使用壽命，降低安全風險。
此外，相關專家指出，過去幾年尤其是在電動汽車推廣應用初期，很多廠商都向消費者灌輸了電動汽車不要維護保養的理念，其實這是一個很大的認識誤區，電動汽車尤其是電池也要定期保養。《指南》也建議，電動汽車應定期在售后服務中心檢查，建議保養周期為每5000公里或半年。定期保養的內容應包含均衡充電、氣密性檢測、絕緣性能檢測、外觀檢查等。王子冬告訴記者：為了安全性和可靠性，電動汽車要定期檢查和保養。但之前的動力鋰電池系統很少考慮系統的可維修性，讓用戶在對動力鋰電池系統進行維護時無從下手。所以，電池系統要設計維護保養接口。隨著電動汽車、智能手機和無人機等對更高能量密度的鋰金屬電池的需求新增，SEI的不穩定性成為阻礙鋰金屬電池發展的關鍵問題，因為該電池的鋰電極表面的一層鹽層會將SEI隔離，并且傳導鋰離子。
作為鋰金屬電池內最不為人所知的部分，SEI的降解促進了樹突的形成。樹突是一種針狀結構，從電池的鋰電極中生長出來，會對電池的性能和安全性出現負面影響。
機械與化學工程教授Wang表示：這就是為何鋰金屬電池壽命不長的原因，界面膜一生長，電池就會不穩定。在該項目中，我們使用了聚合物復合材料來打造更好的SEI。該項目由化學博士生YueGao領導，研發的增強型SEI是一個反應性聚合物復合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒以及氧化石墨烯片組成，新型電池組件的結構就包含一層薄薄的此類材料。
研究人員研發的聚合物能夠與鋰金屬表明形成爪狀鍵合，以無源方式為鋰表面供應所需能量，使其不會與電解質中的分子發生反應，而納米片在復合材料中起到機械屏障的用途，防止鋰金屬中形成樹突。
