編者按：引發(fā)鋰電池頻繁起火的原因是電池外部因素與電池內(nèi)部因素。電池外部因素是由于電池散熱功能不夠，周邊溫度過(guò)高導(dǎo)致起火，電池內(nèi)部因素是微短路，電池過(guò)充電以及電解質(zhì)用量過(guò)多導(dǎo)致起火，在電池使用的過(guò)程中，應(yīng)注意這些方面，避免不必要的危險(xiǎn)。
近日，由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局和中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)共同主辦的“新能源汽車(chē)安全與召回”主題峰會(huì)在博鰲召開(kāi)。會(huì)議期間，就鋰離子電池安全問(wèn)題，清華大學(xué)教授邱新平發(fā)表了自己的一些看法、并提出了電池安全問(wèn)題防范建議。
鋰離子電池于1990年研發(fā)成功，由于能量密度高，最初在攝像機(jī)上應(yīng)用，后逐步擴(kuò)大到筆記本電腦、手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)及儲(chǔ)能系統(tǒng)中。在這個(gè)過(guò)程中，多起不同程度的安全性事故接連發(fā)生。
鋰離子電池安全問(wèn)題為何頻發(fā)
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)發(fā)生電動(dòng)汽車(chē)起火事件40余起，包括多個(gè)品牌的乘用車(chē)和動(dòng)力電池。2019年以來(lái)，尤其是進(jìn)入四五月份，特斯拉、蔚來(lái)等車(chē)企發(fā)生多起起火事件，導(dǎo)致新能源汽車(chē)及動(dòng)力電池安全備受質(zhì)疑。
邱新平告訴《產(chǎn)品安全與召回》，這是由鋰離子電池本身的特征來(lái)決定的。與其他體系的電池相比，比如鉛酸電池、鎳鋁電池等，鋰離子電池創(chuàng)新地采用了一些新的反應(yīng)方式。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
首先，鋰離子電池正極和負(fù)極采用了嵌入反應(yīng)方式，與普通的化學(xué)反應(yīng)如鉛酸電池中鉛變硫酸鉛的反應(yīng)不一樣，嵌入反應(yīng)過(guò)程中材料表面也就是界面的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，因此保證了鋰離子電池的長(zhǎng)壽命系統(tǒng)。
其次，鋰離子電池具有高能量密度的特性，高能量密度主要得益于兩方面：一是高容量電極材料的使用;二是寬的電化學(xué)窗口電解質(zhì)的使用(這里所指的主要是非水溶液體系電解質(zhì)或者固體電解質(zhì))，使得電池的電壓大幅度提高。
“現(xiàn)在的鋰離子電池平均電壓可以到3.7V以上，最高電壓可以達(dá)到4.4V以上。這樣的設(shè)計(jì)，與普通的水溶液電解質(zhì)相比，鋰離子電池中沒(méi)有鉗制反應(yīng)。”邱新平指出，比如說(shuō)，如果鉛酸電池過(guò)充電，過(guò)充電以后多余的電可以把水分解，分解完之后，再用氫氧復(fù)合基質(zhì)把多余的電能變成熱能釋放出來(lái)，“鋰離子電池并沒(méi)有這個(gè)機(jī)制，所以一旦過(guò)充電，就會(huì)帶來(lái)很多安全問(wèn)題。”
熱失控是電池正極跟電解質(zhì)的燃燒反應(yīng)
邱新平指出，鋰離子電池的特性決定了發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)要格外關(guān)注鋰離子電池的安全性問(wèn)題。業(yè)內(nèi)在剖析電動(dòng)汽車(chē)起火原因時(shí)，熱失控被頻繁提及。
究竟什么是熱失控?
據(jù)邱新平解釋，當(dāng)電池的溫度達(dá)到某一溫度時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，這種情況已經(jīng)無(wú)法人為管控，就跟原子彈一樣，到了某個(gè)極限就馬上爆炸，業(yè)內(nèi)把這種反應(yīng)稱為熱失控反應(yīng)。
從原理上看，鋰離子電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程，主要是正極跟電解質(zhì)的燃燒反應(yīng)。“我們實(shí)驗(yàn)室拿鈷酸鋰做了一個(gè)簡(jiǎn)單的熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著鈷酸鋰材料中的鋰被不斷地提取出來(lái)，也就是電池合成SOC的增加，鈷酸鋰分解的溫度會(huì)不斷地下降，自身就會(huì)發(fā)生析氧。而這種氧不會(huì)形成氧氣，而是活潑的氧，這種活潑的氧會(huì)與電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的熱，并且這個(gè)反應(yīng)速度非?？欤瑢?dǎo)致熱失控。”邱新平進(jìn)一步補(bǔ)充道。
引發(fā)熱失控的原因有兩類
電池產(chǎn)熱是電池工作過(guò)程中的必然產(chǎn)物，如果電池的熱釋放即熱擴(kuò)散速度比產(chǎn)熱速度要快，電池溫度就不會(huì)上升，不會(huì)達(dá)到熱失控溫度。但往往有些時(shí)候，電池的散熱性并不是很好。
邱新平將引起熱失控的原因分為兩類。
第一類是電池外部因素。如果電池所處的環(huán)境溫度過(guò)高，電池散熱不好，或者內(nèi)部卷得不好，導(dǎo)致電池散熱不通暢。此外，還有一種情況需要企業(yè)特別注意，就是電池脊柱有時(shí)候能把熱引進(jìn)去，電池的金屬脊柱有銅的，有鋁的，導(dǎo)熱性都比較好，“電路中有某些高熱源的元器件，一定要離電池脊柱遠(yuǎn)一些，讓熱量充分發(fā)揮。”邱新平補(bǔ)充。
第二類是電池內(nèi)部因素。一是微短路，微短路有兩種情況，一種是電池工藝中的短路，包括毛刺;另一種是使用過(guò)程中的短路，這些都會(huì)引起微短路，導(dǎo)致電池局部溫度高于熱失控溫度，從而產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象。
二是電池過(guò)充電，過(guò)充以后會(huì)降低材料的熱失控溫度。“像電池在使用中后期的容量已經(jīng)衰減了，這時(shí)候電池本身就已經(jīng)處于過(guò)充狀態(tài)，熱失控溫度自然會(huì)下降。”邱新平指出。
三是電解質(zhì)用量，如果用量過(guò)多，爆炸的危害性會(huì)很大，火焰噴得很高很遠(yuǎn)，所以要嚴(yán)格控制電解質(zhì)用量。
預(yù)防熱失控要控制電池溫度
截至目前，電動(dòng)汽車(chē)起火事故仍是少數(shù)，為何有的電動(dòng)汽車(chē)安全運(yùn)行，有的卻危及駕乘人員安全?
邱新平告訴《產(chǎn)品安全與召回》，觸發(fā)熱失控的溫度與電極材料的種類、電解質(zhì)的種類、電池的荷電狀態(tài)等等都有很大關(guān)系。
“比如，我們做三元材料熱失控反應(yīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷電狀態(tài)60%的時(shí)候不會(huì)發(fā)生熱失控反應(yīng);當(dāng)荷電狀態(tài)達(dá)到80%以上，包括100%時(shí)，這種熱失控反應(yīng)會(huì)很快發(fā)生，在溫度比較低比如190度的情況下就可以發(fā)生;如果發(fā)生過(guò)充，荷電狀態(tài)達(dá)到120%時(shí)，熱失控會(huì)更容易發(fā)生。”
預(yù)防熱失控的核心在于把電池的溫度控制在觸發(fā)溫度以下。“這里所指的溫度，不止是電池的整體，包括局部地方，甚至某一個(gè)小點(diǎn)，所有地方都不能產(chǎn)生溫度過(guò)高的問(wèn)題。比如短路導(dǎo)致某個(gè)非常小的地方溫度局部過(guò)高，也會(huì)引起熱失控反應(yīng)。”邱新平強(qiáng)調(diào)。
電池的一致性決定電池組的安全性
截至2019年6月，我國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)344萬(wàn)輛。盡管起火數(shù)量仍是少數(shù)，引發(fā)的安全危機(jī)卻對(duì)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。
邱新平認(rèn)為，在電池使用過(guò)程中，電池的一致性決定了電池組的安全性。
鋰離子電池由于沒(méi)有前置性反應(yīng)，在組合過(guò)程中，選電池必須要一致性。舉例而言，電池組合串聯(lián)以后，一個(gè)電流通過(guò)三個(gè)電池，必須保證每個(gè)電池都一樣，通過(guò)的電流大小或容量都一樣。“如果一個(gè)電池已經(jīng)充滿了，再充就是過(guò)充;或者放電時(shí)，如果一個(gè)電池已經(jīng)到了放電下限，再放電電池就過(guò)放了。這樣就會(huì)引起電池性能的偏差，容易引發(fā)熱失控。”邱新平表示，電池一致性偏差越大，未來(lái)電池組的安全性就會(huì)越差。
應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電池生命中后期的數(shù)據(jù)積累
目前業(yè)內(nèi)包括車(chē)企對(duì)新的鋰離子電池，即剛出廠的電池的安全性認(rèn)識(shí)得很清楚，積累做了大量的數(shù)據(jù)，也通過(guò)了各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
邱新平告訴《產(chǎn)品安全與召回》：“目前我們面臨這樣一個(gè)問(wèn)題，包括最近國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的這些燒車(chē)事故，都跟電池到了生命的中后期有關(guān)，問(wèn)題在于，我們現(xiàn)在對(duì)電池生命中后期反應(yīng)并沒(méi)有太多的數(shù)據(jù)積累。”
“我們實(shí)驗(yàn)室花了三年時(shí)間做電池循環(huán)測(cè)試，三年時(shí)間里在同樣一個(gè)溫度下循環(huán)，我們發(fā)現(xiàn)循環(huán)了3000次以后，電池的內(nèi)阻變化很大，一百個(gè)電池之間可能相差很多，容量也變化很大。”
如果這種變化出現(xiàn)在成組的電池上，熱失控在所難免。“所以到目前為止，我個(gè)人的觀點(diǎn)就是，需要加強(qiáng)對(duì)電池生命中后期的數(shù)據(jù)積累。安全本身不是一個(gè)從技術(shù)上或者從原理上不能克服的事情，安全是一個(gè)工程技術(shù)問(wèn)題，只要有大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，我們的工程技術(shù)人員就可以很好地開(kāi)展工作。”邱新平強(qiáng)調(diào)。
電池安全防范七點(diǎn)建議
鋰離子電池安全如何防范?邱新平提出以下建議：
首先，開(kāi)發(fā)出好的正極材料，提高其熱失控溫度，每提高10度，就能大大減少熱失控發(fā)生的幾率。
第二，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，電池的散熱要好。
第三，保證電池一致性，加大使用過(guò)程中環(huán)境的控制等。
第四，開(kāi)發(fā)出更加穩(wěn)定的電極材料，電解質(zhì)材料，這是真正解決鋰離子電池安全的根本。目前，這方面無(wú)論是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)都有一些很好的技術(shù)方案在運(yùn)行。
第五，要加強(qiáng)電池散熱以及熱管理范圍的研究。有些企業(yè)可能怕熱傳遞而做隔熱，隔熱過(guò)程中還有一個(gè)散熱問(wèn)題。
第六，減少生產(chǎn)過(guò)程的電池內(nèi)部缺陷，以減少電池發(fā)生安全事故的幾率。
“最后，要加強(qiáng)電子壽命中后期的電池管理和特性認(rèn)識(shí)，解決電池在使用過(guò)程中產(chǎn)生的離散性大問(wèn)題。如果這個(gè)問(wèn)題解決了，會(huì)提高整組的總體安全性。”邱新平說(shuō)道。
原標(biāo)題：鋰離子電池頻繁起火的真相
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