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从动力电池热设计的角度预防新能源汽车的热失控

   次浏览   本站   2020-04-04

  切入今天的安全性话题之前,采用一个稍微不太一样的视角。概括我们当前的新能源汽车可以用一个字来概括,就是“火”,这个“火”可能对于投资者来讲是很高兴的东西,就是非常红火,对于现在做新能源汽车的人,包括车厂,也包括电池厂,就比较怕这个火,这个事情即使是同样一把火。回顾到三年前,特斯拉说要量产,当年股价飙升到210美金。后来不幸的是发生了一把火,短短时间内特斯拉的股价就跌了一半。但是很不幸的是,最近又发生了一把火。当然这个新闻大家都能看得到,应该叫接二连三吧。虽然采用的电池是属于世界标杆企业以PPM来控制质量的,但是的确是还面临着应该说难以预测的一些东西。

  先来对比一下。首先特斯拉从技术角度看一下,因为现在大部分是采用松下的电池,这个数据有可能不准确。松下的电池,尤其是18650,可能业内人士基本上认为它是代表了电池的标杆,同时它的BMS专利应该是在去年要公开,也引起了世界的关注。关于这个系统和整车的设计以及制造能力,应该说是一个复杂和精致的结合体,从它火箭的回收技术,再到它的汽车胶囊高速列车这件事情上,我们觉得对它的技术是应该不容怀疑的。

  我们国内的情况跟它对比,尤其是动力电池会跟它有什么样的差别呢?如果是形象地用动力电池作为形象的话,我们看到的是这么一个形象。我们中国的动力电池应该是什么样的形象呢?用这个形象不知道恰当不恰当。这里面当然有很多技术的细节,比方说装了很大的电池,它不需要计较成本的前提下,让电池进行浅充浅放的运行,保证10万公里也好、保证里程也好,因为有贵族市场的支撑,是不需要考虑的,但是中国是以平民化消费支撑带动整个市场的环境,因此我们尽可能的把电池是要用干、用净,尽可能装最小的电池,降低初期成本。因此对于中国从事电动汽车的人来讲,尤其是对动力电池的企业来讲,应该说是世界上最具有挑战的行业。

  目前,科技部牵头的关于下一代2020年的动力电池,提出了跟国际趋势一致的,就是以高能量密度,提高续驶里程作为一个导向。前面很多专家讲到了,能量密度提高就意味着现在仍然在担心着安全问题会进一步有更大的风险。

  目前来讲,中国的电池体系,是一个比较旧的数据了。应该说过去认为磷酸铁锂是相对安全,但是能量密度偏低的体系。目前逐渐被高能量密度体系---三元体系等复合体系逐渐取代。但是对于企业来讲,除了材料的化学体系以外还面临着技术路线的问题,圆柱、方形还软包,对于企业,比如超威,我是经历了投资方前后论证这个事情,是一个非常痛苦的抉择过程。因为谁都认为自己所坚持的电池的这个技术路线是安全的、是可靠的、是便宜的,但是市场上目前逐渐的应该多多少少分出了一些优劣。

  电池的安全,从我的角度来讲,概括叫内部和外部的因素,内外应该说差别非常大。这里我想强调内部的因素。内部的因素对于锂电池来讲可能就是内短路的热失控,应该说是目前最困难的一件事情,可以说防不胜防。这个图应该说是比较早期的结果,只是引用。体现出这个电池内部的不同元件、不同素材之间的这种短接,随着时间出现的温度上升,温度上升越快,就是说发生热失控的概率越高,这里面最危险的就是铝箔和碳负极的接触,当然不是说每一个机理在目前来讲都理解的这么深刻,应该说是基于一个实验的结果。因此我们在电池的设计上、加工的工艺上都是根据这些尽可能的避免它,从而提高电池自身的安全性。

  第二个,关于内部出现的热失控之后大家最关心的所谓的连锁反应。这里面是一个18650电池,在完全燃烧出现的一个是温度范围,第二个是完全反应到出现的总的热量,这个热失控不是说一定要这个结束才能进入下一个,是有交替的,有些还没有结束,下一个启动了,就是说温度到达一定程度其实温度已经很难控制了。到最后的时候,对系统构成致命的威胁的,就是溶剂的完全燃烧放出的热,在里面占最大的比例。这里面热的扩散引用了欧阳教授热蔓延的示意图,怎么处理它是我们最需要考虑的问题。

  触动热失控最危险的“扳机”,我这里用一个不太好听的词就是“喜新厌旧”。大家知道现在检测的新电池都是非常安全的,为什么后来出现了意想不到的安全?为什么车放在那里半夜会自燃?为什么我们没有办法看到的热会一点一点的变成最后把热烧掉的“扳机”?这里其实行业内都非常清楚。第一个,自身是不可控制的,叫锂离子的,当然金属锂也好、石墨锂也好,这个过程释放电逐渐的恶化,会在正负极之间逐渐的形成一个短路的通道。当然在生产过程中可能会有这种环境控制不良出现的金属颗粒的异物,它本身可能也会作为晶种,新的锂枝晶导致热失控。

  这种热失控是否可以预防预报呢?实际上欧阳教授已经给出了答案,这里我想给大家展示一个18650电池通过充放电循环,内阻随着循环次数的变化。这里面当然刻意的加了一个颗粒,这个颗粒最初基本上是绝缘体,因为还有其他材料的存在,逐渐的发现变成了一个短路的途径,就是说内阻变小了。因此基于这个原理,来进行安全的预防、预报是完全可行的,这方面我们目前也是做了很多工作。

  以上的汇报就是超威在新能源动力电池的一些努力和结果,我们是伴随中国新能源汽车行业这个行业发展,目前取得了一定的成功,和国家30多个主机厂进行了合作,有10个实现了批量的配套。

  最后总结一下:

  第一,新能源汽车安全问题是全行业的挑战,绝非是我国的痛点,需要全行业的信心。

  第二,随着能量密度的提高,安全性问题更加紧迫,因此挑战更大。

  第三,综合提升新能源汽车安全的途径中,首先做电池的人应该把它当作自己的最大任务。

  第四,作为产业来讲,当前的产业技术水平要做的一个重点,是关于内短路怎么去防止、怎么去预报,热蔓延怎么去防止、怎么去预报。



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