鋰電池熱的

　　8月20日遼陽(yáng)一輛電動(dòng)汽車(chē)著(zhù)火，8月23日聊城發(fā)生電動(dòng)火車(chē)著(zhù)火事件，8月25日成都威馬汽車(chē)起火，8月26日安徽銅陵一輛安凱電動(dòng)客車(chē)著(zhù)火……2018年5月到8月，公開(kāi)報道的電動(dòng)汽車(chē)事故多達16起，其中事故原因判斷為“充電自燃”就有9起，其他事故原因包括電池故障、電器元件短路、停放中自燃等等。新能源汽車(chē)進(jìn)入發(fā)展高速期，技術(shù)突破和安全性上的挑戰隨之而來(lái)。

　　新能源汽車(chē)主是指采用非常規的車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源的汽車(chē)，目前市面上最常見(jiàn)的是純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)。與普通汽車(chē)需要內燃機一樣，電動(dòng)汽車(chē)需要動(dòng)力電池提供前進(jìn)的能量，目前動(dòng)力電池中最主要的類(lèi)型是鋰離子蓄電池。

　　“遵循科學(xué)規律，不要盲目”、“先把安全可靠的技術(shù)發(fā)展起來(lái)”，在10月17日至18日 北京舉行的“中國宜春·2018全球鋰電產(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇”上，來(lái)自學(xué)界業(yè)界的人士，紛紛就鋰電池發(fā)展安全性的問(wèn)題，如是呼吁。

　　鋰離子電池(Li-ion Battery)由鋰電池(Lithium Battery)發(fā)展而來(lái)。鋰電池在人們的生活中由來(lái)已久，比如紐扣電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是金屬鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不再充電。鋰電池一般禁止充電，因為其充電放電過(guò)程中容易形成鋰枝晶，造成電池內部短路。

　　1992年，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極，以含鋰化合物作正極的電池，在充放電過(guò)程中，只有鋰離子，沒(méi)有金屬鋰存在，也就是現在的鋰離子電池。此后，日本索尼能源開(kāi)發(fā)公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鋰電池”)。目前鋰電池已廣泛用于各類(lèi)手持式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)上。

　　對于鋰電池來(lái)說(shuō)，性能好壞表現在兩個(gè)指標上：一個(gè)是充放電倍率，代表了電池的充電速度;一個(gè)是能量密度，決定了一輛車(chē)能續航多少公里。然而，對這兩項指標的盲目追求，很大程度上犧牲的是安全系數。

　　“快速充電技術(shù)目前還沒(méi)有出路”

　　“這些著(zhù)火的事件，至少有60%是在充電或充電剛剛結束的時(shí)候出的事，說(shuō)明充電出了大問(wèn)題?！?國家863電動(dòng)車(chē)重大專(zhuān)項動(dòng)力電池測試中心主任王子冬表示。

　　鋰電池在充電過(guò)程中，鋰離子在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌，正極負極不發(fā)生氧化反應。但是王子冬提出，現在充電的方法和使用過(guò)程充電都是用的氧化還原反應，不是鋰電池遵循自身規律應該有的充電方法。此前王子冬團隊的實(shí)驗結果顯示，使用現在的充電方法，大概能使電池壽命降低30%。因此在這樣的情況下，王子冬認為不應當考慮用大電流充電。

　　鋰電池的充放電倍率是指單位額定容量?jì)鹊某浞烹婋娏?，例如額定容量為100Ah的電池用20A充放電時(shí)，其充放電倍率就為0.2C。一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，但同時(shí)電池發(fā)熱現象也越嚴重。目前純電動(dòng)汽車(chē)的充電容量都是慢充化的，基本在0.3C到0.5C之間。另一方面，用過(guò)大的電流充電會(huì )造成容量不夠滿(mǎn)，這是因為電池內部的電化學(xué)反應需要時(shí)間。和倒啤酒的一樣，倒太快會(huì )產(chǎn)生泡沫，反而倒不滿(mǎn)。

　　北京大學(xué)新能源材料與技術(shù)實(shí)驗室主任其魯介紹，今天的多元正極金屬復合氧化物電池要實(shí)現8分鐘充電，理論上大概要用10C的倍率才能做到，“這個(gè)能量不可想象”。

　　這些技術(shù)瓶頸實(shí)際上并不是新問(wèn)題，其魯是中國鋰電池研究領(lǐng)域的先鋒人物之一，曾擔任2008年奧運會(huì )清潔能源電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池項目的首席科學(xué)家，早在北京奧運會(huì )時(shí)期，他們就針對各類(lèi)問(wèn)題做過(guò)各種實(shí)驗。當時(shí)三元材料電池已經(jīng)可以在5分鐘內完成充電。在實(shí)驗里，三元鋰電池在快速充電的過(guò)程中，熱量不能迅速釋放，使得爆炸的可能性大大增加?？紤]到安全問(wèn)題，其魯表示這種技術(shù)不能用到純電動(dòng)車(chē)上，只能用在電池混合動(dòng)力車(chē)。

　　此外，動(dòng)力電池的快充還面臨著(zhù)一個(gè)非?，F實(shí)的問(wèn)題——城市的電力基本設施無(wú)法滿(mǎn)足個(gè)需求。假設一輛公交車(chē)用的是150kWh的電池，需要5分鐘來(lái)充電，一輛公交車(chē)就需要100kW供電能力，如果同時(shí)有幾百輛上千輛公交車(chē)一起充電，會(huì )對電網(wǎng)造成很大的沖擊。

　　“今天的城市電網(wǎng)根本做不到這一點(diǎn)?！逼漪敱硎?。

　　目前，王子冬的團隊正研究充電過(guò)程中根據電池特性調整充電方法，改了不同的充電方法后，普通標準充電法充500次的電池壽命，在新方法下可以做到充電1000次，有效減緩了電池的衰減。所以王子冬表示，即便有很多瓶頸，鋰電池一定會(huì )有特別適合自己的充電方法。

　　其魯認為，現階段最合適的是以車(chē)位為單位接線(xiàn)充電，兩三個(gè)小時(shí)、五六個(gè)小時(shí)、甚至一個(gè)晚上，這是充電技術(shù)完全可以做到。通過(guò)先把安全可靠的充電方式發(fā)展起來(lái)，來(lái)推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的穩步、安全、健康發(fā)展。

　　能量密度與安全性是一對矛盾

　　2018年2月，財政部、工信部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于調整完善新能源汽車(chē)推廣應用財政補貼政策的通知》，取消了對續駛里程150公里以下純電動(dòng)車(chē)的補貼，對續駛里程超過(guò)300公里的純電動(dòng)車(chē)補貼則增至3.4萬(wàn)元，超過(guò)400公里的車(chē)型補貼增至5萬(wàn)元。

　　美國加州大學(xué)戴維斯分校中國交通能源中心主任王云石分析，這意味著(zhù)純電動(dòng)車(chē)在達到與汽油車(chē)類(lèi)似的續駛里程后，續駛里程越長(cháng)越好。新政策可能希望通過(guò)對動(dòng)力電池系統能量密度的要求，來(lái)推進(jìn)動(dòng)力電池的發(fā)展。

　　鋰電池的能量密度(Wh/kg)是指單位重量的電池能儲存的能量多少，主要由電池的材料特性決定。按普通鉛酸電池的能量密度約為40Wh/kg計算，如果使用鉛酸電池驅動(dòng)家用汽車(chē)行駛200公里以上，則需要將近1噸的電池。因此把電池重量控制在一定范圍的前提下，電池的能量密度越大，汽車(chē)的續航里程就越長(cháng)。

　　能量密度數值理應是越高越好，但電池是能量高度集中的小型裝置，當更小體積里聚集更多能量時(shí)，如果使用不當，比如溫度升高或突然遇到劇烈碰撞，其產(chǎn)生的后果甚至可以和炸彈相提并論。

　　根據新能源研究院真鋰研究發(fā)布的最新數據，2018年6月份之后，120Wh/kg的電池包的裝機量占比達到了約95%，而一年前的6月該比重僅為7.3%。也就是說(shuō)國內電池系統能量密度的進(jìn)步數以“驚人的速度”遠遠超過(guò)了海外。

　　2017-2018.8中國電動(dòng)汽車(chē)乘用車(chē)產(chǎn)量中不同能量密度電池包的裝機占比 來(lái)源：真鋰研究

　　盡管在高能量密度電池包的裝機數量有了極大提升，但如何平衡能量密度與安全性的問(wèn)題尚未得到解決。

　　“在今天，能量密度毫無(wú)疑問(wèn)和電池安全性成反比，我們還沒(méi)有解決好這個(gè)問(wèn)題?！?其魯表示。

　　目前中國國內量產(chǎn)的鋰電池，理論電芯能量密度在300到400Wh。在這個(gè)上限尚無(wú)突破辦法的情況下，可以通過(guò)減磨隔膜的方式，擴大材料空間，從而提高能量密度。隔膜的作用是使電池的正、負極分隔開(kāi)來(lái)，防止兩極接觸而短路，并讓電解質(zhì)離子通過(guò)。

　　“這是最簡(jiǎn)單，也是最危險的辦法?！蓖踝佣硎?。

　　王子冬介紹，此前他的研究團隊了解過(guò)三星Note7的著(zhù)火事件，檢查發(fā)現三星Note7的電池使用的隔膜約在45微米到46微米左右厚，在使用同質(zhì)材料的情況下，有些動(dòng)力電池制造廠(chǎng)商甚至在考慮用10微米、8微米厚的隔膜，在他看來(lái)這樣的想法“很膽大”。

　　由于電池制造過(guò)程當中避免不了掉顆粒的現象，實(shí)際隔膜都會(huì )帶些細微的“工傷”，在材料沒(méi)有突破的前提下，超薄的隔膜、可燃的電解液、加上暗流涌動(dòng)的枝晶，若在這一環(huán)節鋌而走險便會(huì )埋下爆炸隱患。

　　“在沒(méi)有掌握住鋰電池的著(zhù)火規律前，把控能量密度、安全性和壽命的平衡關(guān)系，是我們不能忽視的問(wèn)題?！蓖踝佣f(shuō)。

　　實(shí)際上，能量密度與安全性這一“魚(yú)與熊掌”的問(wèn)題，不僅困擾著(zhù)中國的鋰電池技術(shù)發(fā)展，同樣也困擾著(zhù)業(yè)內領(lǐng)先的韓國和日本。來(lái)自德意志證券韓國公司的分析師Seunghoon Han表示，目前沒(méi)有哪家公司敢說(shuō)其技術(shù)路線(xiàn)是完全確定的，但每個(gè)公司都認為他們的電池是最安全的。鑒于其他很多行業(yè)都通過(guò)標準化和規范化，引導解決了很多安全問(wèn)題，如今鋰電池行業(yè)發(fā)展面臨的這些安全問(wèn)題，或許也可以需要標準化來(lái)解決。而這些發(fā)展瓶頸期的問(wèn)題，并不影響快充技術(shù)和提高能量密度依然是未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向。

　　“只有將安全指標標準化、規范化之后，技術(shù)發(fā)展才會(huì )更容易確定哪些是更安全的，哪些是不安全的?！盚an表示。

　　另一方面，高能量密度意味著(zhù)需要高密度的材料，高密度的材料將會(huì )決定儲存電能的大小。當一種材料能做到的厚度達到安全極限卻還低于人們期望的時(shí)候，很多人將目光轉向尋求新的材料。王子冬認為，如果沒(méi)有材料上突破，突破高能量密度這一問(wèn)題，將會(huì )在瓶頸期會(huì )停滯很長(cháng)的時(shí)間，10年或50年都有可能。

　　而對于最近很火的石墨烯、納米材料等，其魯卻并不看好。他表示，包括此前使用的硫酸亞鐵鋰在內，這些材料實(shí)際上都是低密度材料，而三元材料多元材料等密度則高很多，未來(lái)甚至還能將密度做得更高。

　　“從材料角度看，石墨烯導電性能好，但由材料推導到電池再推導到電動(dòng)車(chē)上，概念能一樣嗎?”其魯說(shuō)，“納米材料在這個(gè)領(lǐng)域當中不會(huì )有什么具體應用?！?/p>

　　不管是快充還是高能量密度，其魯認為一定要戒驕戒躁、保持警惕，尤其對類(lèi)似固態(tài)鋰電池這類(lèi)能保證能量密度、使用又安全的技術(shù)，在沒(méi)有很好電導率的電解質(zhì)材料出現之前，對這類(lèi)電池的產(chǎn)業(yè)化不應抱有太多期望。

　　“我們還是要全力以赴發(fā)展出我們可行的技術(shù)，我認為最重要的是我們‘明天的技術(shù)’?！逼漪敱硎?。