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不怕热失控!磷酸铁锂和三元合体?高安全和高能量密度兼得

电动汽车安全问题,核心的问题永远是电池的问题。”日前,中国工程院院士孙逢春在中国电动汽车百人会论坛(2019)上接受媒体采访时表示。

在2019年年初,特斯拉上海超级工厂正式开工,随后就有媒体报道特斯拉“未能就电池存在的危险状况告知车主”因而发生安全事故,这再次引发人们对电池安全问题的关注。

武汉大学教授艾新平指出,近年来,随着电动汽车保有量增加,以及动力电池能量密度的提高,安全性事故频发,已经严重影响了电动汽车的发展,甚至有人开始对国家制定的动力电池技术发展路线提出了质疑。

能量密度越高,热失控风险越大

“全球每年电动汽车着火的案例可能不低于数千起,这里面有很多都是因为电池本身的问题,或者是应用中的问题。”圣地亚哥州立大学教授米春亭表示,因为电池本身电化学的原因,到目前为止安全问题还没有完全解决。电池里面有很多可燃材料,包括锂、电解液等,还有化学反应过程中产生的各种气体,都是可燃的。

电池安全问题的产生,实际上还与电池的应用密切相关,比如说过充过放,非正常的电压电流、低温或者高温,超低温、超高温情况下的使用,还有系统的故障,比如说热管理系统的故障或者充放电系统的故障等。

从2011年到2018年9月份,全国所有的电动汽车安全事故中,乘用车大概有80多例。据中国汽车技术研究中心有限公司动力电池首席专家王芳统计,这其中有16%是跟充电相关的,在充电的末期甚至是过充电的时候,比较容易发生安全问题。她表示,碰撞也就是机械外力因素,占比约18%;进水因素大概占3%;电池的内短路引发的事故,比例比较大,占35%;还有一些是不明原因的事故。

锂离子电池的安全性归根到底一句话,就是来自于电池的热失控。艾新平指出,一般认为热失控的原因,是负极的热失控,但是对三元电池来说,有可能是正极先发生热失控,然后负极再发生热失控。要解决这个问题,对三元电池来说难度将更大。

艾新平举例说,随着镍含量的增加,高镍三元正极热分解温度越来越低,放热量越来越大。比如811电池,当镍含量达到80%时,在120度左右就开始发生热分解,引发热失控。

电池的安全性首先取决于材料本身的安全性。研究表明,磷酸铁锂的热稳定性从材料方面来讲是最好的。上海交通大学特聘教授马紫峰谈到,电池的能量密度越高,实际上产生的过热或者热失控的概率就越大。

颠覆传统,解决安全性问题

电池安全问题是因为它的反应界面非常活跃,高反应性又影响了安全性,电池材料在反应活性跟稳定性方面存在一个固有的矛盾。美国宾夕法尼亚州立大学教授王朝阳表示,电池安全的问题,靠传统的思路、传统的方法不一定能够有效解决,还是需要新的思路,需要新的创新。

王朝阳谈到了一个“突破我们传统的电池科学跟技术的框框,能够真正颠覆传统的想法”,即采用比较钝化的材料去构造电芯,在电芯当中插入一片极薄的可以迅速加热的叶片。那么它在平时的时候是高安全、高稳定的结构,在使用的时候,用热刺激来迅速调制电化学的动力特性,让其能够输出高功率。这样,就可以实现电池的高安全性和高性能兼得。

“811电池,甚至905电池,90%的镍只有5%的钴,材料本身不太稳定。我们进行表面包覆,用磷酸铁锂来包覆三元,这样表面是非常非常稳定的状况。从活性材料改善可以达到很稳定的电池。”王朝阳表示。

提高电池的安全性,艾新平认为应该从三个层面开展工作。第一是材料层面,第二是单体层面,第三是系统层面。在材料层面,要重点提高材料和界面的热稳定性,降低它的产热量;在单体层面,除了要优化电池热设计以外,更重要的是采用一些热保护技术,比如PTC电极,热关闭隔膜等;在系统层面,要重点开展隔热设计,防止热扩展。总体来说,材料是基础,单体是关键,系统是安全的最后保障。

马紫峰认为,电池的安全性和长循环寿命是整个电池设计当中非常重要的一个问题。要增加电池的安全性,对于高能量密度的电池,就需要在系统设计当中加入特定的保护装置,比如说冷却系统,还有防爆系统等。

防患于未然,对电池健康状态的检测是非常重要的,这就需要电池管理系统。米春亭表示,“如果诊断到电池单体出现了短路,就会告诉驾驶员,对不起,可能几秒钟之内就会着火,尽快找地方停下来。” 这样就能够最大限度保障人员的安全。

孙逢春院士认为,随着电池能量密度的提高,一方面要在现有的体系基础上,去改进安全性,同时要探索新的材料体系,研发更加安全、能量密度更高的电池,比如全固态电池。全固态电池如果能够真的实现,安全问题基本上就能够解决。

作者: 马云腾

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