大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

電動(dòng)汽車最大的短板是什么？對(duì)于消費(fèi)者或許是里程焦慮，但對(duì)于生產(chǎn)者，電池安全才是他們最操心的問題。

鋰電池不僅是電動(dòng)汽車最核心的零部件，它還是引發(fā)電動(dòng)汽車自燃的首要原因——截至今年5月，新能源汽車國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)共發(fā)現(xiàn)79起安全事故。58%的起火源于電池問題。

2019年10月7日，第三屆國(guó)際電池安全研討會(huì)在北京召開，會(huì)議主題是“為電動(dòng)汽車制造更安全的高比能電池”。在動(dòng)力電池比能量不斷提升的背景下，來自全球高校知名教授、企業(yè)的動(dòng)力電池研發(fā)設(shè)計(jì)者，討論了電池?zé)崾Э貦C(jī)-電-熱誘因及防控方法、電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)理與抑制方法、電池燃燒爆炸特性及火災(zāi)安全、電池系統(tǒng)熱失控蔓延與熱管理等議題。

在中國(guó)汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳看來，不斷提高電池系統(tǒng)能量密度、新材料體系，電池越做越大等趨勢(shì)，為電池安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院院士歐陽明高牽頭的團(tuán)隊(duì)對(duì)鋰電池進(jìn)行深入研究，通過單體電壓監(jiān)測(cè)、可燃?xì)怏w預(yù)警、改善電解質(zhì)、建立防火墻等方式來降低熱失控概率和控制熱擴(kuò)散。車企方面，也在碰撞安全設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、控制熱蔓延等各方面加強(qiáng)電池的安全性。

左邊是高比能需求，右邊是安全性——?jiǎng)恿﹄姵貜臉I(yè)者，需要在保持兩邊平衡的同時(shí)向前走。到目前為止，他們習(xí)得了哪些“平衡術(shù)”？

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動(dòng)力電池安全評(píng)價(jià)：

四大挑戰(zhàn)

對(duì)電動(dòng)汽車長(zhǎng)續(xù)航里程、快充的訴求，帶來技術(shù)變革，而變革就會(huì)帶來挑戰(zhàn)。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳將其總結(jié)為四大挑戰(zhàn)。

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳

首先，能量密度提升帶來穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。電池系統(tǒng)的能量密度逐年攀升，從2015年的90瓦時(shí)/公斤，到現(xiàn)在的140多瓦時(shí)/公斤，問題也顯而易見?！?016、2017、2018我分別測(cè)試了當(dāng)時(shí)量比較大的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品，包括三星、LG的電池，隨著能量密度的提升，不管你的本體安全性如何去提升，電池的穩(wěn)定性都在變差。”王芳說。

第二，材料體系變化的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的產(chǎn)品追求高比能，電池從磷酸鐵鋰往三元體系轉(zhuǎn)變，從三元333、到532、再到811體系。這個(gè)變化帶來的弊端是熱失控時(shí)間不斷提前,正極材料的釋氧溫度逐步降低，電池材料的熱穩(wěn)定性越來越差。

第三，長(zhǎng)續(xù)駛里程的挑戰(zhàn)。提高續(xù)駛里程，除了改變材料體系，就是在有限的空間里塞盡量多的電池，這樣就會(huì)導(dǎo)致電池就會(huì)越做越大，必然會(huì)把電池的鋁箔和銅箔做薄，同時(shí)隔膜也會(huì)做薄。但是隔膜越薄，其抗穿刺能力就會(huì)越差，越容易被刺穿導(dǎo)致電池短路。

第四，電池衰減后的安全性挑戰(zhàn)。王芳指出，他們統(tǒng)計(jì)的事故中，有很多都是1萬多公里以后發(fā)生的。這就證明，電池是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。

這就意味著，在全生命周期內(nèi)，電池的可用、可控和失控的評(píng)價(jià)面臨巨大挑戰(zhàn)。對(duì)電池的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)可能會(huì)是一個(gè)貫穿全生命周期的評(píng)價(jià)工程。在電芯的整個(gè)生命周期中，安全性會(huì)隨著壽命的衰減而變化。在不同的循環(huán)周數(shù)下，電芯的內(nèi)部狀態(tài)和外部指標(biāo)，也在發(fā)生變化。

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熱失控：

從三大原因求解

電池的危險(xiǎn)來自于熱失控，應(yīng)對(duì)電池?zé)崾Э?，首先要了解機(jī)理，找到表現(xiàn)形式。歐陽明高總結(jié)，造成電池?zé)崾Э氐脑蛴腥齻€(gè)，即內(nèi)短路、正極釋氧以及負(fù)極析鋰。

中國(guó)科學(xué)院院士歐陽明高

○依靠BMS檢測(cè)內(nèi)短路

內(nèi)短路又分為緩變型和突變型。歐陽明高介紹說，緩變型內(nèi)短路，第一步表現(xiàn)是電壓下降，到第二步才會(huì)有溫升，最后形成熱失控。對(duì)于緩變短路，在第一個(gè)過程即電壓下降階段通過故障診斷就可檢測(cè)出，可防止它進(jìn)一步惡化。例如，針對(duì)串聯(lián)電池組，首先是從電壓的一致性來進(jìn)行分析，某一個(gè)電池電壓下掉，說明這個(gè)電池有可能有內(nèi)短路。但還不能確認(rèn)的話，再加入溫度檢測(cè)。

應(yīng)對(duì)突變型內(nèi)短路，例如一個(gè)微短路，可以依靠可燃?xì)怏w傳感器，它可以做到至少提前3分鐘進(jìn)行熱失控預(yù)警。也就是說，通過BMS可以有效檢測(cè)出內(nèi)短路。

○改進(jìn)正極和電解質(zhì)減少釋氧

沒有內(nèi)短路依然會(huì)熱失控。隔膜崩潰、正負(fù)極發(fā)生物質(zhì)交換，即正極的釋氧跑到負(fù)極，形成劇烈反應(yīng)，引發(fā)熱失控。要對(duì)材料進(jìn)行改進(jìn)，一個(gè)是正極材料，一個(gè)是電解質(zhì)。歐陽明高舉例說，正極材料可以從多晶到單晶就可以使釋氧的溫度提升100度。電解質(zhì)方面，可以采用高濃度電解質(zhì)，例如DMC（碳酸二甲酯）。

此外，從電解液的添加劑、高濃度電解質(zhì)、新型電解質(zhì)等方面還大有可為。

○充電控制減少析鋰

電池全生命周期安全性最主要的影響因素是析鋰，如果沒有析鋰衰減的電池安全性并不會(huì)變差。析鋰多的放熱大，析出的鋰會(huì)直接跟電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)大量溫升，可以直接誘發(fā)熱失控。

“負(fù)極電位與析鋰相關(guān)，只要控制負(fù)極的過電勢(shì)，就可以保證不析鋰。通過這個(gè)模型就可以推導(dǎo)出不析鋰的充電曲線。我們讓它負(fù)極電勢(shì)始終不低于零，可以得到無析鋰的最佳充電曲線。我們可以用三電極標(biāo)定這條曲線，這樣來做充電算法。”歐陽明高表示，他們已經(jīng)跟企業(yè)合作，利用這個(gè)算法可以完全實(shí)現(xiàn)不析鋰。但是這種是一個(gè)標(biāo)定過程，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)電池的衰減性能是會(huì)變的，所以他們又做了反饋的無析鋰的控制算法，也就是要有一個(gè)觀測(cè)器來觀測(cè)負(fù)極的過電勢(shì)，實(shí)際就是一個(gè)數(shù)學(xué)模型。

○控制熱擴(kuò)散

在歐陽明高看來，熱失控整體來看還是有規(guī)律的。并聯(lián)電池組熱失控的特征是，第一個(gè)電池?zé)崾Э睾髸?huì)短路，造成電壓下降；串聯(lián)電池的熱失控就是一個(gè)熱傳導(dǎo)的過程；第三種情況是，剛開始是有序蔓延，后面是劇烈蔓延，這就會(huì)導(dǎo)致立即爆炸、燃燒事故。

歐陽明高認(rèn)為，電池只隔熱是不夠，還需要散熱的設(shè)計(jì)?！袄梅阑饓夹g(shù)，隔熱、散熱相配合，通過隔熱將傳熱擋住，通過散熱把能量帶走?！?/p>

另外還有一種熱失控是噴發(fā)。從實(shí)驗(yàn)可以看出，噴發(fā)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三態(tài)，這中間氣態(tài)都是一些可燃?xì)怏w，就是燃料，固態(tài)是一些固態(tài)的顆粒，往往形成火焰。一般是收集顆粒物，就像傳統(tǒng)汽車一樣，把顆粒物通過過濾器進(jìn)行捕集；另一個(gè)方法是稀釋可燃?xì)怏w。