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电池安全是道必答题,这些技术可能都是正确选项

储能和动力两大锂离子电池主要应用领域目前都处于发展初期的情况下,安全无疑成为最需要全力解决的首要问题。

动力、储能火灾事故敲响安全警钟

中国汽车工业协会数据显示,2019年1-4月,我国新能源汽车实现产量36.76万辆,销售36万辆,同比分别增长58.47%和59.79%;其中,纯电动汽车产销分别完成28.6万辆和27.8万辆,同比分别增长66.1%和65.2%。在以纯电动汽车为代表的新能源汽车产销量直线飙升的同时,越来越多的新能源汽车起火爆炸事故也时常见诸报端,其中不乏特斯拉、蔚来、比亚迪、奔驰、北汽新能源这样的知名电动汽车品牌。尽管电动汽车起火事故主责的板子不能独独打在动力电池身上,但动力电池安全性正受到越来越多的关注。

电池的另一应用场景电化学储能领域,近几年也迎来大规模发展。2018年国内电化学储能装机量已经突破“GW”,电化学储能规模化效益也将在未来2-3年内实现。然而,2018年韩国储能电站多起火灾事故,却给正在发展中的中国电化学储能敲响警钟。据中关村储能产业技术联盟常务副理事长俞振华介绍,由于此前安全事故频发,目前国内很多电化学储能项目进展缓慢,部分项目甚至暂停进行消防安全整改。同样,储能电站的消防安全事故的起因也并非全部来自电池,但电池无疑是导致火灾事故发生的重要推手之一。

材料出发,解决电池安全短板

无论是电池,还是新能源汽车或是储能领域的业内人士均认为,电池应用领域出现的安全问题,并不只是电芯本身的问题,而是包括从电芯化学体系的设计,生产过程中的一致性,电芯全生命周期管理,到配套BMS设计与实施,电芯、电池包连接结构设计,甚至包括应用中的消防安全措施等的一系列问题。总而言之,安全是个系统性的工程,应用中的任何一个环节,都可能成为系统安全的短板。

在电芯的化学体系设计层面,上海交通大学教授陈立桅曾透露,他带领的团队正在研究一种高安全性三元正极添加剂材料,该材料可以使三元软包电池在进行针刺试验后,仍可正常放电,确保了电池的安全性。类似的材料掺杂实验也正在多家科研机构和企业的实验室中不断进行,其目的就是为了找到可以确保电池高安全性的材料,让高能量密度电池也能兼具高安全性。

国内正极材料生产商德方纳米曾表示,该公司研发的纳米级磷酸铁锂材料配合碳纳米管导电液,使材料的各项性能特别是安全性大幅提高,并已经实现批量供货。从事隔膜研发和生产的美国Celgard公司的一项研究表明,在负极部分增加陶瓷涂层,可以抑制负极内部的热量传播,从而减少热失控的产生,有效确保电池安全。而在电解液制造方面,在已有电解液中添加阻燃剂,或者研发更高安全性电解液材料,也同样可以降低电芯的安全事故风险。

新电池设计,发力电池安全

采用全新材料的电池体系,同样可以成为提高电池安全性的有效途径。

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图为安力能源在“储能国际峰会暨展览会2019”上的展位

在日前闭幕的“储能国际峰会暨展览会2019上”,超威集团旗下安力能源展出了近期刚刚投产的钠镍电池产品。据了解,该电池主要由固体镍和氯化钠颗粒及陶瓷管构成,反应温度为260-300摄氏度,整个过程中不存在易燃易爆物质。即使陶瓷管发生破裂,反应生成的单体钠也会率先与熔融状态的四氯铝酸钠结合,不会与空气接触。因此该电池的安全性极佳。和锂离子电池相比,这款钠镍电池兼具的低成本和高性能让它更适用于大规模储能。

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图为辽宁星空钠电在“储能国际峰会暨展览会2019”上展示的钠离子电池样品

与安力能源的钠镍电池类似,辽宁星空钠电也在上述展会上展示了最新的钠电池产品。据星空钠电展位负责人介绍,这款电池的正负极材料、隔膜和电解液等均为自主研发的高安全性材料。在进行软包叠片工艺生产后,该电池在90摄氏度的高温情况下不会出现热失控,对标锂离子电池所进行的穿刺、挤压、高空下落等试验后,电池仍不会起火爆炸。

近几年,钠离子电池以高安全性和低成本正逐渐走进人们的视野,而固态电池也是目前解决锂离子电池安全问题的有效且呼声最高的途径之一。2018年7月,由珈伟股份研发生产的08116337-CO-36Ah类固态软包三元材料动力锂离子蓄电池通过国家机动车质量监督检验中心强制性检验,其配套车辆也在当年10月的第313批《道路机动车辆生产企业及产品公告》中现身。

系统发力,降低安全事故隐患

业界一直强调“安全是系统工程”,这个系统就不单单指电池系统,而是新能源整车、储能电站这类的综合系统。近些年,从系统层面解决安全问题的研发和应用,也并不少见。

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图为山东博一新能源在“储能国际峰会暨展览会2019”上的展位

无论是在新能源汽车电池箱,还是在储能箱、柜中,电池通常处于较为密闭的空间中,这对电池散热会造成不利影响,一旦热量聚集,就很可能因局部过热发生安全风险。在上述展会上,山东博一新能源展示了用于电池模组散热的全新电池包热管理技术。该技术核心采用超导热材料,将电池模组内部的热量迅速导出,从而确保整个模组保持较低温度。

特斯拉Model 3也采用了不同以往的安全性设计,电池箱体去除了顶板,一旦箱体内部发生火灾,因为没有压力,从而减少爆炸造成的伤害。此外线路焊接头全部朝向地面,万一有可燃气体喷射,也可以确保不喷向两侧和上面。

一旦发生火灾,及时灭火也非常有必要,这也就需要电池应用场景中特别是储能领域,要有相应的阻燃和消防措施。据中国电科院资深科学家来小康介绍,他带领的团队正在进行储能PACK箱体阻燃材料的研究,目的是一旦一个箱体发生火灾,确保不会危及附近的其他箱体。

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图为烟台创为新能源基于“锂离子电池热失控模型”研发的传感器

烟台创为新能源自主研发的“锂离子电池热失控模型”及自动灭火技术,通过在箱体内及周围设置多个传感器,判断电池箱热失控情况,在热失控早期进行报警,防患于未然。值得注意的是,即使是早期的可燃气体泄露,该系统也可以进行检测并报警,切实保证了电池系统的安全性。

尽管安全问题为新能源汽车和储能产业的发展敲响了警钟,但防微杜渐要好于止步不前,随着相关安全问题解决技术与方法的不断提升和推出,电池应用的安全风险也将会不断降低。

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