鉅大LARGE | 點擊量：604次 | 2019年01月19日
聚焦電池安全 如何正確應對無法根除的鋰電熱失控？
整個2018年，純電動汽車召回事件共有8起，涉及130344輛電動車，同時起火事故超過50起，使得正在逐漸駛出里程焦慮陰影的電動汽車，又陷入“安全焦慮”的泥沼。
對于電動汽車來說，2018年有些喜憂參半。一方面車市寒冬降臨，新能源汽車交出125．6萬輛的成績單，可謂跑贏市場，獨領風騷；另一方面，整個2018年，純電動汽車召回事件共有8起，涉及130344輛電動車，同時起火事故超過50起，使得正在逐漸駛出里程焦慮陰影的電動汽車，又陷入“安全焦慮”的泥沼。
在1月11～13日舉辦的中國電動汽車百人會論壇（2019）的動力電池技術峰會上，各位專家學者沒有如往年般分享各色各樣的鋰電前瞻技術，而是不約而同的將焦點放在了電池安全上。
無法根治的鋰電安全性能？
鋰電池的安全性歸根到底一句話，就是來自于電池的熱失控。鋰電池除了正常的充放電反應外，還存在潛在的副反應。當電池溫度過高或者充電電壓過高的時候，這些副反應就會被引發，并釋放大量熱量。如果熱量得不到及時疏散，還會引起電池溫度和壓力的急劇上升，形成惡性循環，最后導致熱失控，造成安全事故。
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%
不幸的是，從鋰電反應機理而言，單體電池的熱失控隱患是無法根除的，只能通過諸如熱控制技術（PTC電極）、正負極表面陶瓷涂層、過充保護添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等等技術的綜合性應用來無限改善單體電芯的安全性能，但無法真正根除。
武漢大學教授艾新平
關于電芯層面的鋰電安全性，武漢大學教授艾新平做了非常全面的分析，從熱失控過程來看，發生熱失控最早的一個反應是負極表面SEI膜的分解，由于負極成份及添加劑的不同，SEI膜的分解分度大概在120－140℃，發生分解以后，負極裸露在電解液中，并發生劇烈的還原分解，放出大量的可燃性氣體和熱量，促使電池的溫度進一步上升，直至正極發生分解。
正極發生分解時，溫度大概在180－200℃，此時電芯的副反應就很難控制了，因為正極分解時不僅僅釋放大量的熱量，還會產生活性極高的氧原子，導致電解液直接氧化分解，短時間內會造成電池內部大量的熱量積累。
值得一提的是，溫度和副反應的關系是相輔相成的正相關，即溫度越高，副反應越劇烈；副反應越劇烈，溫度也就越高。這樣的惡性循環最后會導致電池進入一個沒法控制的自加溫狀態，也就是所謂的“熱失控”。
業內常說的磷酸鐵鋰安全性好，就是因為它作為正極在200－400℃的時候基本不發生分解，但正極的產熱只是副反應的一部分，負極和電解液的氧化分解仍然存在，所以磷酸鐵鋰的安全性只是相對三元而言稍微安全一些而已。三元材料根據組成成份的不同，分解溫度有所變化，鎳占比越高，熱分解溫度越低，比如當鎳含量達到0．8，在120度左右就開始發生熱分解，甚至早于負極的SEI膜，這對電池的溫控造成了極大的挑戰。
電池熱失控，究其原因還是內部出現了短路和過充的現象。比如涂層，電解液分布不均、電極間距不均會引起電流分布不均從而導致局部過充；在循環過程中正極性能衰竭過快，也會導致過充；另外BMS死機或者功能障礙、充電繼電器不能正常工作，這些都會導致過充。內部短路同樣復雜，電解液分布不均導致局部析鋰；正極材料中的金屬雜質，氧化后在負極表面還愿；充放電的反復體積變化等等因素都是短路的隱患。同時，我們無法在工藝層面保證清除所有的安全隱患，就像世間不會有兩片相同的葉子一樣。
鋰電池副反應的安全性隱患是其電化學體系所決定的，并伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴重，即便再出色的電池管理系統（BMS）也無法從根本上解決鋰離子動力電池的安全性問題。同濟大學教授葉際平也在演講中表示，BMS一個很大的問題就是不能像腦神經跟器官一般知道冷暖自如，BMS能夠控制電池，但是電池里面的材料變化它無法反饋到BMS里面去。
如何提升單體電芯的安全性能？
盡管鋰電安全無法根治，但卻是可控可防的，正確面對并積極探索一些新的安全性技術，將有利于促進電池技術進步，比如提高材料／界面熱穩定性，開發單體自激發熱保護技術，以及系統熱擴展防范技術，就可以有效改善電池系統的安全性。以下為艾新平教授在電芯安全層面的研究，可供讀者參考。
表面包覆。正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面（電解液）的反應，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩定的保護層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸，從而降低副反應的強度和產熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。
構建濃度梯度。高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩定性不好以外，更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產熱溫度和產熱量是急劇提高的，原因就是電解液的界面反應占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內外有一個濃度梯度，這樣就有助于降低這個材料界面的反應活性，提高電池安全性。
提高SEI膜的穩定性。上文提到熱失效往往是從負極SEI膜的分解開始的，如果我們采用一些方式能提高SEI膜的分解溫度，提高熱穩定性，對電池安全性將起到至關重要的作用。現在的研究表明，一些有機脂類，一些有機磷酸鹽，甚至一些含氟的鋰鹽，他們都是可以有效的來提高負極SEI膜熱穩定性的，提高它的分解溫度。
建立單體自激發熱保護。它的技術原理是利用溫度敏感材料切斷危險溫度下電極上的電子傳輸或離子傳輸，甚至關閉電池反應，從而終止產熱。比如PTC材料，隨著溫度的升高材料會從一個良好的導電態變成一個絕緣態，切斷電路。將PTC材料作為極流體的涂層或者作為電極的導電劑或者作為活性物質的表面修飾層，即可有效的實現單體電芯的自發熱保護。與之類似的還有一種微球修飾隔膜，溫度升高時微球發生一個熔化，封閉隔膜上的孔道導致電池反應關閉。
防止熱失控的誘發和蔓延才是工作重點
盡管艾新平教授介紹了多種提高單體電芯安全性的思路，但正如前文所提到的，我們始終無法從工藝上保證清除所有的安全隱患。與其在電芯的工藝層面做過多糾結，不如將工作重點放在系統層面，即防止單體發生熱失控以后產生系統的功能障礙，甚至是災難性事故。
中國電動汽車百人會執行副理事長歐陽明高也表示，當前鋰離子電池從單體層面完全杜絕熱失控是不太現實的，但我們可以從電池系統的熱機電設計與控制設計來防止誘發和蔓延，即便單體出現熱失控也不會發生事故。
確實，電芯的失效只是整個電池系統安全隱患的一小部分。站在模組的角度，由于電芯結構、工作方式和環境等多方面的因素會使得電芯的安全隱患加倍的體現出來，因此動力系統的結構設計、控制系統、生產管控的嚴密性等等才是更加重要的部分。
這也是為什么市場上無法直接買到鋰電池電芯的原因，電池芯生產商只會向經過授權的Pack公司銷售自己的電芯，再由Pack公司將電芯與保護板封裝成電池包出售給電器生產商而不是消費者。此外，電池包必須與專用的充電器搭配并嚴格按照規定的方法使用，其實研究一下眾多的電動汽車充電自燃事故，不難發現，很大一部分自燃事件都是使用者沒有嚴格按照充電要求進行操作。
目前，通過電池系統結構設計來保證動力電池的安全性也是所有電池企業和主機廠的工作重點。同時，提高動力電池測試強度也是進一步保障電池安全的關鍵所在。中國汽車技術研究中心首席專家王芳在動力電池技術峰會上也介紹了1月10號工信部掛在網上征求意見的“電動汽車用動力蓄電池安全要求的強制標準”，與正在執行的標準相比，進一步強化了測試內容。
同時，王芳還表示，因為電動汽車安全的概念，最基本的一條就是人員安全。一旦出現不可避免的電池熱失控，及時預警并留給乘員有足夠的逃生時間是必不可少的。而只要有足夠的時間給人員逃生，從某種意義上說也是一種安全。
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