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    中國動力電池創新聯盟副秘書長、中國電動汽車充電基礎設施充電聯盟副秘書長王子冬   

       今年，電動汽車的安全問題有點兒多。

 

       根據國家市場監督管理總局的數據，2018年國內至少發生40起涉及新能源汽車的火災事故，今年4月起，又接二連三發生電動汽車起火冒煙事故，動力電池安全性是一個敏感的話題，又是一個不能回避的話題。

 

       近日，中國動力電池創新聯盟副秘書長、中國電動汽車充電基礎設施充電聯盟副秘書長王子冬在首屆中國國際電動汽車安全技術創新大會上對電動汽車安全性問題進行了多維度剖析。他認為，動力電池在材料上沒有明顯技術突破前，比能量發展到一定水平后，就很難再有進一步的突破。與此同時，在安全性方面的負面影響卻越來越大。在沒有掌握鋰電池起火規律之前，把控能量密度與安全性和長壽命的平衡關系是不能忽視的問題。

 

       動力電池技術路線之爭

 

       這個問題由來已久，這也正是能量密度與安全性的博弈。

 

       王子冬表示，“我們必須承認，電池組是一種含高能物質的部件，具有危險性的本質，而且，隨著電池比能量和比功率的提高，發生事故的危險性將增大。”

 

       在鋰電池眾多的技術路線中，磷酸鐵鋰與三元的對決最為膠著。 

 

       磷酸鐵鋰安全性高、壽命長，但是能量密度不如三元高，但可以通過提高電池容量加以彌補，低溫性能差，主要是在小容量電池上低溫性能低，材料一致性也差。

 

       三元電池能量密度高，一致性好，低溫性能好，但是安全性略差，循環壽命遠不如磷酸鐵鋰電池。

 

       “當前，在中國磷酸鐵鋰電池具有最成熟的產業鏈，我們對相關領域掌握的核心技術也比較多，而三元電池則以日韓為代表，相對更成熟一些。”王子冬認為，這種技術路線的對決，更有一種中國vs日韓的意味。

 

       如果單從動力電池本身的性能來評價，他列舉了10個維度：1.電池組的安全性、2.電池組的能量密度（而非單體）、3.電池組的循環壽命、4.電池組的成本、5.充電倍率、6.電池單體一致性、7.低溫性能、8.成組利用率、9.回收再利用的方便性、10.正負極材料可回收修復再利用。

 

       作為一種能夠引領潮流的技術路線，在以上任何一個方面都不能有太過鮮明的缺點，需要做到各方面的均衡才是一種具有可行性的路線，而不是某一個單一性能指標高，比如說能量密度。

 

       因此從以上10個方面分析對比，在這場對決中，三元和磷酸鐵鋰慘烈廝殺，痛苦角逐，互有勝負，也有平手，在這10場對決后，王子冬個人裁判，給出一個簡單的最終結論：在乎安全性、能量密度要求不是很高的場合，首選磷酸鐵鋰電池。

       動力電池的天花板在哪里？

 

       在王子冬看來，對提高動力電池能量密度需要有清醒的認識：能夠產業化的電動車用動力電池的性能提高，不僅僅是正負極材料性能上需要有幅度改進，同時在許多方面都需要有比較大的突破，才有可能實現動力電池真正意義上的提高。

 

       那么從產業化動力電池的定義來說，國家提出的目標是：到2020年實現電動車充電一次可以跑400km，單體電池比能量達到：300Wh/kg（350）、600Wh/L（700）、0.6元/Wh，電池系統達到：220Wh/kg（260）、300Wh/L（380）、1.0元/Wh，循環壽命1500次（80%DOD）。

 

       王子冬表示，從指標數據上看，要想實現這些指標難度還是比較大的。

       目前國內動力電池企業產品概況是：磷酸鐵鋰方面，規模化生產的能量型磷酸鐵鋰動力電池能量密度大致在140-180Wh/kg之間。三原材料方面，規模化生產的用于純電驅動的三元正極鋰離子動力電池能量密度大致在180-260Wh/kg之間。

 

       從技術角度推論，如果電池組比能量要達到260Wh/kg，按照10KWh/kg/100km的能耗計算，形勢400km的電動車40KWh電池組電芯重量不能超過99.5kg，電池組的總重量不能超過153kg，軟包裝電芯的比能量需要超過402Wh/kg，難度可想而知。

 

       由此可以推出，比能量達到350Wh/kg的電池（如果能做出來的話），需要做成大容量（80Ah以上）的鋁合金硬殼動力電池，這樣可以節省模塊化后占掉的重量，40KWh電芯總重量要控制在114.3kg以內，只能占電池組重量比74.7%，其余的鋁合金箱體（25kg）、熱管理系統（2kg）、連接件和固定件（11.7kg）等的總重量不能超過38.7kg，站電池組的重量比25.3%，電池組總重量才能不超過153kg，電池組的比能量才可以達到262Wh/kg。

 

       “為什么大家一提到高能量密度就想到軟包裝電池？從車輛工程的角度是看動力電池系統的能量密度，而非單體電池的能量密度。從單體電池到模塊，再到系統集成，中間環節比較多，電池之間的連接件、模塊之間的連接電纜、箱體、固定架、支撐架、導熱結構等等，這些都會增加許多重量”，王子冬提出，需要在系統能量密度、可靠性及安全性方面做優化。 

       動力電池的安全性

 

       我國動力電池行業經過十年積累，已經有了非常大的提升，特別是對動力電池的理解和認識方面，應對當下的電動汽車使用，應該說是能夠勝任的。

 

       現在的動力電池在材料上，如果沒有明顯技術突破前，比能量發展到一定水平之后，就很難再有進一步的突破，與此同時，在安全性方面的負面影響卻越來越大。“許多人曾經問我，燃油車還經常起火呢，且比電動汽車多，為什么對電動汽車要求這么高呢？”王子冬表示，這里有一個概念需要說清：燃油車的著火是能夠找到規律的，與許多已知因素有關，關鍵一點是燃油車的易燃物是燃油，是被密封在一個與外界隔絕的環境里，與氧氣（助燃劑）和火源分開，這種隔絕條件一旦被打破（如管路老化漏油遇到發動機高溫），就會出現事故。

 

       而動力電池系統的易燃物是電解液，它與助燃劑氧氣（正極材料遇到高溫時會分解生產氧氣）和火源（內短路、過充都會產生高溫）被密封在同一個容器環境里，因此它的安全不確定性也就顯得尤為突出。

 

       王子冬就此打比方說，感冒與2003年SARS病毒誰對人類造成的傷害大？當然是感冒，但是人類恐懼SARS，因為對于SARS病毒，我們當時沒有可以治療的藥物。因此，在沒有掌握鋰電池著火的規律前，把控能量密度與安全性和長壽命的平衡關系是不能忽視的問題。

 

       1、如何認識動力電池？

 

       動力電池出生前就需要事先考慮好：電池模塊和電池組（系統）的可組裝性設計、可安裝性設計、可維護性設計、可調整性設計、回收可方便拆解性設計等。

 

       這些性能的設計非常重要，不能把電池都造出來災區解決這些性能問題，鋰電池生來就是“爆”脾氣，為什么鋰電池會變身“定時炸彈”？

 

       鋰離子電池主要由六部分組成，分別是正極、鋁箔、負極、銅箔、隔膜、電解液。

 

       電池內部的電解液含有大量有機物，比如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、磷酸二甲酯。這些家伙一個個都自帶燃爆屬性，臉上寫著“遠離火源”四個字。此外，電池的正負極一旦短路，就會大量發熱，甚至產生火花，所以，人們自然就會想到要用個東西把正負極隔起來，于是就引入了隔膜。

 

       電池隔膜被減薄后，這層薄膜一旦破損，問題就會很嚴重。鋰電池本身也暗藏著刺穿隔膜的隱患，這類現象叫“枝晶”，這個問題是一種寫在鋰電池基因里的病，鋰電池在使用過程中，電極表面會形成一些小毛刺，這些小毛刺就叫“枝晶”，而且枝晶會越長越大，最終就會穿透隔膜，造成短路。

 

       越薄的隔膜、可燃的電解液、暗流涌動的會自己生長的枝晶、高溫時材料分解會自動分離出氧氣，整個鋰電池就像是把火藥桶、助燃劑、打火機關在一個小屋子里，然后用一層保鮮膜隔開，讓誰去想都會膽戰心驚，現在，最關鍵的是要控制住“打火機”。

 

       2、如何保證動力電池系統的安全性？

 

      電池系統的安全必須由電芯來解決，電芯要保證安全，就必須采用更穩定的材料，更安全的設計。

 

       王子冬表示，現在是刻意放低電芯的安全要求，降本、提高能量密度，在做熱失控傳播實驗時就很難通過，評估整車的安全性還是應該在源頭上的基本安全要求要把握好，在電芯層面的安全性上，選用更厚的隔膜，在電芯提高能量密度的設計上不應該通過減薄隔膜厚度實現。

 

       電池組充電時的安全管理是關鍵！由于動力鋰電池成組使用最關鍵也是最核心的問題：一是安全、二是壽命，特別是在快速充電時，電池組內電池的差異加大，如何解決電池組的使用壽命，面臨巨大挑戰。

 

       影響電池安全使用和循環壽命的因素，除了電池自身工藝性和產品質量外，至關重要的一個問題是：電池成組充電時的安全性管控和熱管理技術。沒有完善的電池成組安全性管控和熱管理技術，電池的安全性和長壽命循環就無法保證，因此，動力電池充電的管理系統與電池自身的安全同等重要。

       3、快速充電技術對動力電池要求很高

 

       關于充電速度問題，大家都希望能夠實現快速充電，當前的高能量型動力電池充電速度可在約40-60分鐘內補充80%的能量，對于城市內通勤交通工具，并不構成電動汽車真正的使用障礙，但是對于希望用電動車解決城市之間的交通問題恐怕就有些問題了。

 

       從快充到超快充（200-400kW），實現10分鐘內補充90%的能量，將有效縮短電動汽車與內燃機汽車之間的差距。

 

       王子冬表示，目前的設計方案是，減少電極的厚度、改變電池結構、以及更適合快充的材料選擇，這些都將增加動力電池的生產成本，同時降低其能量密度，還會降低動力電池系統的壽命，需要從整體考慮進行優化。

 

       另一方面，如何減小電池組在快充過程中單體電池之間的差異，就需要合理的熱管理系統設計，以提高動力電池的使用壽命。

 

       4、動力電池的安全性問題如何解決？

 

       王子冬認為，新能源汽車安全事故主要由動力電池熱失控所引起，熱失控不僅僅是結果，原因也錯綜復雜，事故源頭難以明確，安全性問題應得到高度重視。

 

       業界不斷反思安全問題，盲目追求高能量密度成為焦點，專業人士指出，理論上電池能量密度與安全性成反比，企業追求高能量密度，安全問題隨之暴露，雖然未能明確已發生的起火事件與追求能量密度存在多大相關性，但隨著高鎳三元電池進入市場，新能源汽車面臨更高的安全技術要求。

 

       如何在高能量密度和提高安全性間取得平衡，成為當前業內亟待解決的一大難題，各個企業則從單體電芯、模組設計和電池包的結構設計多個層級提高整體安全性。

 

       提高動力電池的安全性主要是從三個層級來做，包括單體電芯、模組設計和電池包的結構設計來提高整體安全性，單體電芯方面，可以通過在電解液中加入添加劑降低其易燃性，提高隔膜耐溫性，或者提高正極材料穩定性等方式來改進，模組設計方面，通過加強溫控設計，BMS充電管理或者改變單體連接方式提高安全性，車輛層面，可以通過電池的位置擺放以更好地散熱，改進充電方法，減少由于充電不當造成安全隱患。

 

       既然電池組是一種含高能物質的部件，具有危險性的本質，而且，隨著電池比能量和比功率的提高，發生事故的危險性將增大。故此，就需要研究能量密度與安全性這對矛盾的平衡，包括材料性能的平衡，電池模塊結構的平衡，電池組系統級別的平衡，成本可接受性的平衡，考慮多級利用過程中的平衡，動力電池材料回收過程中的平衡。

 

       解決途徑的研究包括：材料性能的匹配優化，電池模塊結構設計的優化，電池組系統與車身一體化設計，生產制造成本的控制，推廣多級利用攤薄應用成本，鼓勵動力電池材料修復再利用。