新能源汽車動(dòng)力鋰電池安全性

最近電動(dòng)汽車事故非常引人關(guān)注，所以今天重點(diǎn)來說一下電動(dòng)汽車的安全性問題。我想分四個(gè)方面給大家介紹，首先是電動(dòng)汽車事故統(tǒng)計(jì)。這是近年以來國外電動(dòng)汽車自燃起火的原因匯總，重要是碰撞后起火。其實(shí)燃油車碰撞之后也會(huì)起火，這是國內(nèi)統(tǒng)計(jì)的起火的情況。國內(nèi)起火重要有這么幾個(gè)特點(diǎn)：第一，是三元電池為主，磷酸鐵鋰也有，重要是三元電池，超過一半。第二，圓柱形電池為主，這是其中一個(gè)比較重要的類型，因?yàn)樗卿摎ぃ淼谋容^緊，所以一旦發(fā)生熱失控，它會(huì)爆炸，之后會(huì)引燃其他電池。第三，充電失火的事故占比比較大。一般來說電池假如放電到一定深度之后不會(huì)熱失控，熱失控一般都是在滿電狀態(tài)，所以在充電的時(shí)候容易引起，因?yàn)槌潆姷臅r(shí)候，電池與充電系統(tǒng)連在一起，又是熱失控最容易的時(shí)候，同時(shí)還有高壓電器的短路等等，都會(huì)容易引起事故。還有，從車型的角度，新舊車型都有，電池的系統(tǒng)比能量并不是很高，因?yàn)楝F(xiàn)在發(fā)生事故的重要是前幾年裝的車，總體來看系統(tǒng)比能量并不是非常高，并不是我們所認(rèn)為的非常高的比能量電池。

電池?zé)崾Э貞?yīng)該說是這些事故的主因，什么叫電池的熱失控呢？電池溫度到達(dá)一按時(shí)候電池就會(huì)有連鎖的負(fù)反應(yīng)，放熱的反應(yīng)，所以溫度快速上升，最高的速度可以達(dá)到每秒鐘溫升接近1千度，所以它的速度是非常快的。

熱失控是什么引起的呢？首先是電池過熱了，剛才說了，電池?zé)崃瞬艜?huì)熱失控，過熱的原因有各種各樣的，有可能是電池包本身溫度不均勻，有局部區(qū)域溫度高，過充過放、外短路、內(nèi)短路等等這些電的原因會(huì)放熱，還有機(jī)械原因，比方進(jìn)水、密封不好、碰撞等等。

下面我們看看最近這些事故的主體原因，我們認(rèn)為是產(chǎn)品質(zhì)量問題。產(chǎn)品質(zhì)量問題就是指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、使用過程中沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。重要有三類，第一，電池產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證不足；第二，車輛使用過程中可靠性變化；第三，充電安全管理技術(shù)有問題。下面我們來分析一下這幾個(gè)方面。

首先，電池產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證不足。由于補(bǔ)貼退坡的政策周期是一年一次，與產(chǎn)品的開發(fā)周期總體來看不是很匹配，比如說我們化學(xué)材料體系的改進(jìn)一般要一年以上，但是因?yàn)楣靖a(bǔ)貼的指揮棒走，盲目地追求高比能量，縮短了測(cè)試驗(yàn)證的時(shí)間。有時(shí)候?yàn)榱丝s短開發(fā)周期往往首選物理的改進(jìn)方法，比如把電池活性材料增厚，隔膜減薄，這樣電池比能量會(huì)上升，但是安全性能下降。

第二是電動(dòng)電池測(cè)試驗(yàn)證的手段不完善，不能反映實(shí)車的使用條件，很大一部分公司并沒有建立公司內(nèi)部的電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，部分公司甚至就沒有電池安全測(cè)試的能力，生產(chǎn)出來的質(zhì)量也就是參差不齊的。

第三個(gè)原因就是剛才說到車輛使用老化過程中可靠性降低。比如說全生命周期中防水的效果不佳，一般我們電池的密封是要通過IP67標(biāo)準(zhǔn)，但是當(dāng)車輛使用時(shí)間長(zhǎng)了之后，密封就會(huì)變差，導(dǎo)致車輛進(jìn)水，就會(huì)容易造成短路。還比如電池的激光焊接的接頭，焊接點(diǎn)內(nèi)部容易出現(xiàn)空隙，這些空隙就會(huì)帶來阻抗新增，進(jìn)而發(fā)熱導(dǎo)致高溫點(diǎn)，引起熱失控。還有就是電池系統(tǒng)和充電機(jī)高壓電器老化，比如我們充電時(shí)候的接觸器經(jīng)常開斷，有時(shí)候就會(huì)拉弧，造成高溫和接觸器表面的這種燒損或者粘連，會(huì)短路、會(huì)發(fā)熱，這些都是熱失控的原因。

第四個(gè)原因就是充電，充電過程中數(shù)據(jù)通訊不規(guī)范，BMS的廠商和充電機(jī)的廠商沒有嚴(yán)格的地執(zhí)行新頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)。充電的功能安全，按道理我們的電池管理系統(tǒng)有關(guān)充電是有很好的斷電功能的，充到什么時(shí)候都是由電池管理系統(tǒng)控制的，我們目前并沒有嚴(yán)格執(zhí)行功能安全的規(guī)范，就是ISO26262這個(gè)規(guī)范，目前并沒有完全地貫徹落實(shí)這個(gè)規(guī)范，這也是我們沒有遵守規(guī)范的原因?qū)е碌摹２粐?yán)格執(zhí)行充電安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如說我們充電繼電器的粘連應(yīng)該有診斷功能，但有的為了節(jié)省成本就沒有。電池管理系統(tǒng)與充電樁沒有裝備合格的絕緣檢測(cè)裝置，車輛與充電樁形成的充電回路沒有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的絕緣電壓、爬電距離、過載、IP等級(jí)、插拔力、鎖止、溫升、雷擊等各項(xiàng)指標(biāo)要求，BMS未嚴(yán)格遵守充電引導(dǎo)的規(guī)范。為何說是質(zhì)量問題？就是我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造、使用、驗(yàn)證各個(gè)環(huán)節(jié)，沒有嚴(yán)格的遵守標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，當(dāng)然我們也缺少一些，比如說我們的安全年檢，這是缺少的，但這不是公司的事，這是政府要做的事情。

高比能量電池面對(duì)更嚴(yán)峻的安全技術(shù)挑戰(zhàn)，所以我下面說一下這方面的問題。

根據(jù)我國新能源汽車動(dòng)力鋰電池比能量發(fā)展的趨勢(shì)，我們很快就會(huì)向300瓦時(shí)/公斤的高比能量電池邁進(jìn)，很快這些產(chǎn)品就會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)，就是所謂的高鎳三元811電池很快就會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)，這些高比能量的電池會(huì)比原先的這些相對(duì)低的比能量的電池所面對(duì)的安全技術(shù)的要求會(huì)更高。在這方面，我們清華大學(xué)專門建了電池安全實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，在這里給大家簡(jiǎn)單地介紹一下研發(fā)結(jié)果，供大家參考。

目前清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室跟國內(nèi)外公司和研究機(jī)構(gòu)開展了廣泛地合作，包括寶馬、奔馳、日產(chǎn)等大公司。

研究重點(diǎn)是在熱失控的三個(gè)方面，一是熱失控的誘因，包括熱、電、機(jī)械的原因。二是熱失控發(fā)生的機(jī)理究竟是什么，從而在材料設(shè)計(jì)層面加以防護(hù)。三是熱蔓延，一旦單體電池防止不了熱失控，就得有二次防護(hù)手段，就是在系統(tǒng)層面要切斷熱失控的蔓延，只要切斷蔓延就可以防止事故。我們對(duì)高比能量電池的熱失控控制，不僅靠材料本身，還要從系統(tǒng)層面來進(jìn)行。

首先是有關(guān)熱失控的發(fā)生機(jī)理與抑制。我們從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)手段上開展，一個(gè)是從事材料熱穩(wěn)定性研究的差示掃描量熱儀，一個(gè)是電池單體熱失控測(cè)量的加速量熱儀。

高比能量電池?zé)崾Э氐膸讉€(gè)特點(diǎn)溫度。一般來說，當(dāng)電池溫度升高到一定程度，電池就會(huì)自產(chǎn)熱，我們把這個(gè)溫度叫T1，產(chǎn)熱發(fā)生到一定程度無法抑制，熱失控觸發(fā)，叫T2，最后溫度上升到最高點(diǎn)我們叫T3。熱失控機(jī)理不清楚的重要是發(fā)生在T2到T3階段。一般認(rèn)為是內(nèi)短路造成的，對(duì)常規(guī)電池的確是這樣，但是我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)對(duì)高比能量不完全是這樣。我們發(fā)現(xiàn)沒有內(nèi)短路，照樣有熱失控。這是因?yàn)楦弑饶芰侩姵氐哪透邷匦滦透裟さ?00度以上沒有變化，電解液基本完全蒸發(fā)了，但在230-250度時(shí)，正極材料相變放出的氧與負(fù)極反應(yīng)出現(xiàn)了放熱高峰。

另外我們看一下各種不同鎳含量的三元鋰離子電池的差異。811電池跟現(xiàn)在常用的622或者532相比，811的放熱峰明顯的都比其它高很多，表明811的熱穩(wěn)定性較差。經(jīng)過分析我們得到的初步結(jié)論是，高鎳正極對(duì)全電池安全有較大的影響，硅炭負(fù)極對(duì)安全在初期影響不大，但是在循環(huán)衰減后影響比較大。

應(yīng)對(duì)這種熱穩(wěn)定差也有一系列的改進(jìn)途徑，比如說材料的包覆等，我們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的方法，就是用單晶顆粒來替代多晶的正極材料，電池的熱穩(wěn)定性有非常好的改善，相應(yīng)的安全性也有很好的改善。

第二就是熱蔓延，真正的事故是熱蔓延導(dǎo)致的，就是一個(gè)電池單體熱失控之后，所有電池包全部蔓延起來，著火事故就發(fā)生了。

根據(jù)我們對(duì)熱失控蔓延過程的測(cè)試和仿真的傳熱分析，設(shè)計(jì)了一種隔熱的方法，就是在主導(dǎo)傳熱的路徑上加隔熱材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)確實(shí)達(dá)到了隔斷熱失控蔓延的效果。這種防火墻技術(shù)已經(jīng)在我國倡導(dǎo)的國際電動(dòng)汽車熱失控蔓延的法規(guī)中得到采納。

第三個(gè)方面，是熱失控的誘因和電池管理。第一個(gè)誘因就是內(nèi)短路，對(duì)在用電池和事故電池的分析發(fā)現(xiàn)，電池制造時(shí)均勻的極片在使用一段時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)折疊區(qū)域的破裂，容易發(fā)生局部的析鋰，從而導(dǎo)致熱失控。另外就是制造過程中的雜質(zhì)也會(huì)引起內(nèi)部的短路，我們把這個(gè)叫電池的癌癥，因?yàn)椴涣私馑裁磿r(shí)候誘發(fā)熱失控，有時(shí)候往往會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間之后出現(xiàn)內(nèi)短路。為此我們發(fā)明了電池內(nèi)短路的一個(gè)替代實(shí)驗(yàn)方法，通過在一個(gè)特定電池里面植入記憶合金實(shí)現(xiàn)預(yù)期的內(nèi)短路。我們研究之后把內(nèi)短路分成了四類，其中鋁集流體和負(fù)極相連是最危險(xiǎn)的內(nèi)短路。也是必須要提前預(yù)警的，為此我們做了一系列的研究，并獲得了內(nèi)短路的三階段演變過程。第一階段，只有電壓的下調(diào)，沒有溫度的上升；第二階段才有溫度的上升，第三階段才發(fā)生急劇的溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。根據(jù)這個(gè)演變過程，我們爭(zhēng)取在前兩個(gè)階段把內(nèi)短路判別出來，就可以提前15分鐘將可能引發(fā)熱失控的內(nèi)短路預(yù)警出來，這一技術(shù)已經(jīng)與寧德時(shí)代進(jìn)行了合作。

第二個(gè)方面就是充電，我們通過測(cè)試分析搞清了過充熱失控機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，通過熱電耦合模型來預(yù)測(cè)電池過充熱失控的表現(xiàn)。過充事故一般是微過充，比如電池的不一致性導(dǎo)致的，因?yàn)椴灰恢拢潆娺^程中有的地方已經(jīng)充滿了，有的地方還沒有充滿，就會(huì)導(dǎo)致有一些充滿的電池微過充，接著就會(huì)在負(fù)極材料上析鋰，出現(xiàn)鋰枝晶，就是所謂的析鋰，導(dǎo)致安全性變差，導(dǎo)致短路。

為了解決這一問題，我們開發(fā)了基于參比電極的無析鋰快充技術(shù)，把負(fù)極的電位控制在零以上（零以下會(huì)析鋰），這要新增一個(gè)電極，即三電極。在三電極基礎(chǔ)上，可以基于模型進(jìn)行反饋和觀察，這就是我們的無析鋰快充技術(shù)，這種技術(shù)應(yīng)用之后就沒有析鋰發(fā)生，而且充電速度加快。

第三個(gè)原因是老化。電池老化后的不一致性會(huì)擴(kuò)大，這就是電池循環(huán)次數(shù)的新增不一致性會(huì)變得越來越大的原因，而隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也就很差。另外，低溫環(huán)境下的老化會(huì)嚴(yán)重影響電池的熱穩(wěn)定性，發(fā)生熱失控的自生熱溫度會(huì)降低，這就更容易導(dǎo)致熱失控。

通過對(duì)這些問題的分析，我們發(fā)現(xiàn)保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)。目前，在電池管理系統(tǒng)方面，國內(nèi)的產(chǎn)品的功能不足、精度不夠，尤其是安全功能是不全，因此要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華在電池管理系統(tǒng)的積淀比較豐富，已經(jīng)獲得65項(xiàng)專利授權(quán)，這些專利在國內(nèi)外著名公司合作中得到了應(yīng)用，其中部分專利也授權(quán)給了奔馳汽車公司。

那么我們?nèi)绾螐氐捉鉀Q電池安全性問題？近期可以通過一些技術(shù)來保障安全性，但是長(zhǎng)遠(yuǎn)看，要保障電池的絕對(duì)安全就要前瞻性的科學(xué)研究。鋰離子動(dòng)力鋰電池高比能是全世界范圍的發(fā)展方向和趨勢(shì)，我們不能因?yàn)橛邪踩珕栴}就不發(fā)展高比能量電池，關(guān)鍵是把握高比能量與安全性之間的平衡點(diǎn)。比如高鎳三元鋰離子動(dòng)力鋰電池的本征安全問題，其機(jī)理是正極會(huì)釋放氧，我們可以通過界面的修飾來延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性；再一個(gè)就是開發(fā)下一代的固態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決電解液燃燒的問題。

基于各國動(dòng)力鋰電池技術(shù)路線的比較，短時(shí)間是液態(tài)電解液的鋰離子電池，下一步將會(huì)向固態(tài)電池方向發(fā)展。綜合考慮電池成本和動(dòng)力鋰電池的發(fā)展方向，我們建議我國也應(yīng)該走類似的路徑，即短時(shí)間是液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負(fù)極，通過電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來防止安全事故發(fā)生，這類電池能夠滿足電動(dòng)汽車500公里續(xù)駛里程的要求。中長(zhǎng)期，從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池，估計(jì)在2030年全固態(tài)電池將會(huì)得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

總之，我們要力爭(zhēng)解決動(dòng)力鋰電池本征安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。對(duì)我的報(bào)告的總結(jié)，可以歸納為：

我們要正確看待近期新能源汽車起火的事件，其重要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題，沒有遵守技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)驗(yàn)證周期的偏短等等。

在政策方面的建議包括：

第一，原有的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)（2020年單體達(dá)到350瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)260瓦時(shí)/公斤，循環(huán)壽命2000次）是偏高的，從安全角度考慮，我認(rèn)為不宜強(qiáng)行推行。

第二，補(bǔ)貼政策要符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，對(duì)能量密度的提升不宜過快、不宜更改過頻，這是我對(duì)財(cái)政部的建議。

第三，盡快推出電動(dòng)汽車安全年檢規(guī)范。同時(shí)，為了更好處理和分析電動(dòng)汽車事故，最好有電動(dòng)汽車黑匣子，同時(shí)電池包要留有消防安全的接口，目前的電池包封的很死，導(dǎo)致消防滅火的時(shí)候困難重重，這些是對(duì)公安部的建議。

最后，我覺得電池安全是電池技術(shù)革命性突破的第一重點(diǎn)，也是純電動(dòng)汽車性能提升的第一關(guān)鍵，電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展越后期電池安全就越變成一個(gè)瓶頸技術(shù)，比如十分鐘充300公里以上的電的快充技術(shù)，會(huì)對(duì)電池安全帶來挑戰(zhàn)，電壓從300V提高到600V甚至800V，這些都與安全相關(guān)，也是今后純電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。可以說安全是電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線，動(dòng)力鋰電池國家科技研發(fā)，要以安全為核心，全面提升現(xiàn)有鋰離子動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)安全技術(shù)，全力突破新型固態(tài)電池技術(shù)。