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动力电池能量密度要与安全性平衡

   次浏览   中国能源报   2020-12-02

   “5月以来,电动汽车安全事故频发、‘火烧连营’。”原中国北方车辆研究所动力电池实验室主任、中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长王子冬坦言,目前电动汽车自燃事故还不能“归零”,给新能源汽车推广带来巨大的负面影响。
  在近日举行的“动力电池安全设计及防护技术线上研讨会”上,王子冬反复强调,对电动汽车安全要有正确认识,在目前电池起火原因尚不明晰的情况下,动力电池能量密度的提升要与安全性寻求平衡优化。

 电池自燃的根本原因是内部短路
  “‘高温炎热的夏天更容易起火’的说法并不正确。”王子冬指出,从各个月份的电动汽车起火事件分布情况来看,除了12月的数量略少之外,其余各个月份都有超过4起严重起火事故,其中5、6月和11月是两个高峰期,这表明电动汽车起火事故在全气候条件下均易发生。
  王子冬认为,电动汽车安全事故主要由动力电池热失控引起,但热失控仅是结果,其原因错综复杂。“现在电动汽车普遍配置了热管理系统,电池不太容易因为单一的热滥用而触发热失控。”他表示,解决电池安全问题,还要从更为复杂的角度对其诱因进行全面分析。
  “说起热失控,一般都指向了电芯的热失控。”王子冬强调,这一观点很片面,电芯热失控只是其中的一部分,还有其他原因引起的热失控,比如,电池包内部的低压线束起火,局部高电阻导致高压线路升温、不合理的充电和维护方法等,“在电池包内没有相应的防护措施时,火势难以控制,形成热失控和蔓延,最终导致电芯起火,从而产生电芯热失控的假象。”
  “车企在理解热失控时也经常感到困惑,因为当前电池热失控的定义或研究都是以电芯来设计的。”王子冬坦言,以电芯先入为主的思路,不利于实际工作中开展热失控的防护。
  厘清电池包的热失控要回归本源,即“热”上。王子冬进一步说明,电池包热源来自多个方面:周围外界物体的热;短路或线路中高温电阻、电芯内阻电流作用产生热;过充或是低电压、大电流产生电化学反应产生热;正负极材料与氧气产生化学反应,以及气体膨胀都会产生热。
  在王子冬看来,引发电池自燃的根本原因是内部短路。“加工制备时混入的金属杂质或产生的极片毛刺、电滥用、电解液浸泡不均等引发的局部析锂,都有可能划破电池隔膜,引发微小的内部短路。”王子冬称,这种微小的短路并不易被察觉会在电池内部持续产热,当热量堆积到一定程度就会引发电池热失控,致使电池起火。

 电池能量密度与安全性成反比
  王子冬进一步表示,近几年电动汽车安全事故呈现出一定趋势。“电动客车起火频次和占比逐年减少,而乘用车起火频次和占比总体上在上升,三元电池的使用是一个原因。”王子冬坦言,盲目追求高能量密度是问题的焦点,如何在高能量密度与提高安全性之间取得平衡,是当前业内亟待解决的一大难题。
  各动力电池企业在不遗余力地创新。2019年9月,宁德时代推出了全新的CTP方案,改变了原有的电芯—模组—电池包结构,电芯直接集成到电池包。据了解,北汽EU5成为首款搭载该电池的车型,该电池包体积利用率提高了15%—20%,能量密度进一步提升至200Wh/kg,大幅降低了动力电池的制造成本。特斯拉、蜂巢能源均对CTP技术进行了布局。
  比亚迪今年也重磅推出了刀片电池,设计上取消了纵梁、横梁,以电芯作为电池包结构的支撑件,使其体积能量密度从普通电池包的251Wh/L提高至332Wh/L。
  “上述新技术没有隔离墙,这就要求电池确保万无一失,但目前还做不到。”王子冬直言,目前还没有真正弄清楚锂电池的着火原因、是什么环节出了问题、什么场景会出问题。“为了降低成本、多带电池,直接取消模组的做法值得商榷,有相当大的风险。”在他看来,理论上,电池能量密度与安全性成反比。动力锂电池成组时最关键、最核心的问题是安全和使用寿命,其影响因素除了电池自身工艺性和产品质量外,充电的安全性和热管理技术也至关重要,如果没有完善这两项技术,电池的安全性和长寿命循环就无法得到保证。
  为应对动力电池自燃事故的发生,很多企业都在研究BMS(电池管理系统)。“如果电池受到外部影响,目前的BMS基本能够起到防护作用,但如果是电池内部出现问题,一般的BMS就不太管用了。”王子冬建议,BMS研究的重点应该在电芯的检测和事故前的监控上,BMS不能是“事后诸葛亮”。

 电池设计要从整体系统优化
  值得注意的是,目前有相当一部分安全事故集中在充电环节。王子冬指出,正常充电过程中引发的电池起火事故正逐年上升,其中有充电设备故障引起的,也有电池过充引发的。实际上,电动汽车在停止状态下也会自燃,这对电池安全管理提出了更高要求,不仅在运行过程中,在断电状态下也要对电池进行有效监管和防护。“断电后的监护,目前还是盲点。”
  王子冬进一步表示,随着电动汽车保有量的上升和充电桩建设速度的加快,对充电方法和充电设施进行更加规范化的管理,对充电电池组进行有效的状态检测,十分重要。
  目前,行业正致力于大功率直流快充的技术攻坚。王子冬提醒,快充对动力电池的要求很高,与之相伴的是,如何减小电池组在快充过程中单体电池之间的差异问题。“要实现快充,就必须在其它方面做出牺牲。”王子冬解释,快充会在锂离子电池内部产生大量热量,过高的温度会破坏负极材料的粘接性能,从而导致负极活性物质的脱离,使电池可逆容量快速衰降、电池性能劣化,严重影响动力电池的使用寿命。
  王子冬表示,行业已经在减小电池级片的厚度、改变电池结构,以及选择更合适快充的材料等方面进行调整。不过,这些都将增加动力电池的生产成本,电池设计需从整体角度进行系统优化。
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