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操练动力电池安全VS比能量平衡术

大会现场

电动汽车最大的短板是什么?对于消费者或许是里程焦虑,但对于生产者,电池安全才是他们最操心的问题。

锂电池不仅是电动汽车最核心的零部件,它还是引发电动汽车自燃的首要原因——截至今年5月,新能源汽车国家监管平台共发现79起安全事故。58%的起火源于电池问题。

2019年10月7日,第三届国际电池安全研讨会在北京召开,会议主题是“为电动汽车制造更安全的高比能电池”。在动力电池比能量不断提升的背景下,来自全球高校知名教授、企业的动力电池研发设计者,讨论了电池热失控机-电-热诱因及防控方法、电池热失控发生机理与抑制方法、电池燃烧爆炸特性及火灾安全、电池系统热失控蔓延与热管理等议题。

在中国汽车技术研究中心首席专家王芳看来,不断提高电池系统能量密度、新材料体系,电池越做越大等趋势,为电池安全带来了巨大挑战。中国科学院院士欧阳明高牵头的团队对锂电池进行深入研究,通过单体电压监测、可燃气体预警、改善电解质、建立防火墙等方式来降低热失控概率和控制热扩散。车企方面,也在碰撞安全设计、监测、控制热蔓延等各方面加强电池的安全性。

左边是高比能需求,右边是安全性——动力电池从业者,需要在保持两边平衡的同时向前走。到目前为止,他们习得了哪些“平衡术”?

1

动力电池安全评价:

四大挑战

对电动汽车长续航里程、快充的诉求,带来技术变革,而变革就会带来挑战。中国汽车技术研究中心首席专家王芳将其总结为四大挑战。

中国汽车技术研究中心首席专家王芳

首先,能量密度提升带来稳定性的挑战。电池系统的能量密度逐年攀升,从2015年的90瓦时/公斤,到现在的140多瓦时/公斤,问题也显而易见。“2016、2017、2018我分别测试了当时量比较大的国内外产品,包括三星、LG的电池,随着能量密度的提升,不管你的本体安全性如何去提升,电池的稳定性都在变差。”王芳说。

第二,材料体系变化的挑战。现在的产品追求高比能,电池从磷酸铁锂往三元体系转变,从三元333、到532、再到811体系。这个变化带来的弊端是热失控时间不断提前,正极材料的释氧温度逐步降低,电池材料的热稳定性越来越差。

第三,长续驶里程的挑战。提高续驶里程,除了改变材料体系,就是在有限的空间里塞尽量多的电池,这样就会导致电池就会越做越大,必然会把电池的铝箔和铜箔做薄,同时隔膜也会做薄。但是隔膜越薄,其抗穿刺能力就会越差,越容易被刺穿导致电池短路。

第四,电池衰减后的安全性挑战。王芳指出,他们统计的事故中,有很多都是1万多公里以后发生的。这就证明,电池是一个动态变化的过程。

这就意味着,在全生命周期内,电池的可用、可控和失控的评价面临巨大挑战。对电池的测试评价技术可能会是一个贯穿全生命周期的评价工程。在电芯的整个生命周期中,安全性会随着寿命的衰减而变化。在不同的循环周数下,电芯的内部状态和外部指标,也在发生变化。

2

热失控:

从三大原因求解

电池的危险来自于热失控,应对电池热失控,首先要了解机理,找到表现形式。欧阳明高总结,造成电池热失控的原因有三个,即内短路、正极释氧以及负极析锂。

中国科学院院士欧阳明高

○依靠BMS检测内短路

内短路又分为缓变型和突变型。欧阳明高介绍说,缓变型内短路,第一步表现是电压下降,到第二步才会有温升,最后形成热失控。对于缓变短路,在第一个过程即电压下降阶段通过故障诊断就可检测出,可防止它进一步恶化。例如,针对串联电池组,首先是从电压的一致性来进行分析,某一个电池电压下掉,说明这个电池有可能有内短路。但还不能确认的话,再加入温度检测。

应对突变型内短路,例如一个微短路,可以依靠可燃气体传感器,它可以做到至少提前3分钟进行热失控预警。也就是说,通过BMS可以有效检测出内短路。

○改进正极和电解质减少释氧

没有内短路依然会热失控。隔膜崩溃、正负极发生物质交换,即正极的释氧跑到负极,形成剧烈反应,引发热失控。要对材料进行改进,一个是正极材料,一个是电解质。欧阳明高举例说,正极材料可以从多晶到单晶就可以使释氧的温度提升100度。电解质方面,可以采用高浓度电解质,例如DMC(碳酸二甲酯)。

此外,从电解液的添加剂、高浓度电解质、新型电解质等方面还大有可为。

○充电控制减少析锂

电池全生命周期安全性最主要的影响因素是析锂,如果没有析锂衰减的电池安全性并不会变差。析锂多的放热大,析出的锂会直接跟电解液发生剧烈反应,引发大量温升,可以直接诱发热失控。

“负极电位与析锂相关,只要控制负极的过电势,就可以保证不析锂。通过这个模型就可以推导出不析锂的充电曲线。我们让它负极电势始终不低于零,可以得到无析锂的最佳充电曲线。我们可以用三电极标定这条曲线,这样来做充电算法。”欧阳明高表示,他们已经跟企业合作,利用这个算法可以完全实现不析锂。但是这种是一个标定过程,随着时间的延长电池的衰减性能是会变的,所以他们又做了反馈的无析锂的控制算法,也就是要有一个观测器来观测负极的过电势,实际就是一个数学模型。

○控制热扩散

在欧阳明高看来,热失控整体来看还是有规律的。并联电池组热失控的特征是,第一个电池热失控后会短路,造成电压下降;串联电池的热失控就是一个热传导的过程;第三种情况是,刚开始是有序蔓延,后面是剧烈蔓延,这就会导致立即爆炸、燃烧事故。

欧阳明高认为,电池只隔热是不够,还需要散热的设计。“利用防火墙技术,隔热、散热相配合,通过隔热将传热挡住,通过散热把能量带走。”

另外还有一种热失控是喷发。从实验可以看出,喷发有固态、液态、气态三态,这中间气态都是一些可燃气体,就是燃料,固态是一些固态的颗粒,往往形成火焰。一般是收集颗粒物,就像传统汽车一样,把颗粒物通过过滤器进行捕集;另一个方法是稀释可燃气体。

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