鉅大LARGE | 點擊量：962次 | 2021年04月09日
淺談電動汽車動力鋰電池的發展趨勢與安全管理
電動汽車動力鋰電池發展趨勢與安全管理
2015年1～八月份，我國新能源汽車已經達到12.35萬輛，尤其是純電動汽車上升得非常快。我們不能光看這個產業的規模，產業發展持續的動力還是技術，假如說純電動汽車的技術，我想核心就是電池技術，所以我今天想介紹一下電池技術相關的內容。
我國電動汽車電池技術的產業基礎，應該說總體上還是不錯的，我們從十五科技部電動汽車重點專項起步開始推動我國電動汽車動力鋰電池的研發，當時重要是鎳氫電池和錳酸鋰離子電池；到十一五的時候，重要是磷酸鐵鋰離子電池，應該說磷酸鐵鋰離子電池的發展支撐了我國十二五電動汽車的發展；到十二五，我們重點的研發轉向了三元鋰離子電池，估計2015年我們三元鋰離子電池的比能量會達到180Wh/kg，現在我國正在啟動十三五。十三五將會在此基礎上進一步升級，估計在今后5～10年鋰離子電池將會達到它的技術極限，預計到2020年會超過200Wh/kg，比現在估計要提高一倍。
跟國際相比，我國電池領域也存在很多問題，包括我們先進材料和機理方面的研究比較差，電池結構設計的技術還不太先進。另外制造的自動化程度比較低，精工藝的開發能力比較弱，還有一個電池系統涉及技術比較落后。因為以前大家都覺得電池系統沒什么技術，就是把單體給組合起來就完了，現在才開始了解，電池系統也是很復雜的技術。由于這些問題，我們高端材料供給還不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性及產品性能還不能完全滿足市場的要求，公司創新能力總體還不強，優勢產量不足，而且面對韓國等國外電池公司的挑戰，這是當前我國電池面對的一些問題。
從全球看，電池技術尤其是鋰離子電池技術還在不斷進步，預計在今后5～10年，也就是到2025年，鋰離子電池將會竭盡它的性能極限，到達大約350～400Wh/kg左右。我們下面會做研究來探討這個極限究竟是多少，至少我們現在認為到達300～350Wh/kg應該是沒有問題的，這是單體。真正到系統，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以達到200Wh/kg左右，應該說比現在的大約提高一倍。這是美國能源部對鋰離子電池發展現狀和趨勢的一個判斷，我們也基本是認同這個判斷的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當然，為了達到這個系統，單體材料層面當然就要達到80Wh/kg左右。日本應該說也是有類似的看法，在2020年，達到300Wh/kg，這是他們的一個基本判斷。這種電池將會采用硅碳復合的負極，高電壓的電解質，以及富鋰的固溶體或者高鎳的三元材料，這個材料體系目前應該說從基礎層面基本上是清楚的，關鍵是如何把它開發出來，也就是說我們現在其實300Wh/kg也可以做到，但是壽命非常短，尤其負極的硅這種材料充電的時候膨脹比非常大，容易迅速衰減，所以提高壽命，如何來解決硅負極的相關問題，這是目前技術攻關的一個重點。
根據國外的趨勢，我國2020年的一個基本的發展目標，高比能量電池目標也是要達到300Wh/kg，壽命1500次，成本0.8元，系統比能量大約210Wh/kg，這是按照單體的70%，比現在約提高一倍。假如用這樣的電池，我們用相同重量也就是200kg的電池的話，我國現在的性價比比較好的電動汽車續駛里程可以到300km以上。現在的純電動汽車的成本，重要新增的是電池，假如能把電動機這些驅動系統跟傳統的內燃機相比的話，大約還可以節省出5000～1萬元錢用于電池，其余多的錢就是新增的。按照我們購置和使用綜合考慮的話，在2020年之后，小型電動汽車比如說城市代步用的200～250km左右，應該可以跟燃油車競爭。這是我們電池的技術路線圖。
在邁向高比能量鋰離子電池的過程中，大家可以看到我們電池的成本下來了，比能量提高了，續駛里程上升了，我們電動汽車可以競爭了，但是這中間有一個重要的問題是，在這個過程中，安全性將會變得更加突出。能量密度在持續上升，但是我們的安全性并沒有大的變化，安全性面對的挑戰，越往高比能量走挑戰越大。所以安全性要受到進一步的高度重視，也就是說我們性能提高了，但是耐久性和安全性的問題將更加突出，這是我們面對的三個問題。安全性、耐久性和動力性，最核心的是安全性問題。
動力鋰電池的安全性
安全性的問題概括起來叫動力鋰電池熱失控，也就是電池受熱到一定溫度之后，它就不可控了，溫度直線上升，超過500℃、1000℃，然后就會燃燒爆炸。為何會有這個問題，首先過熱會引起這個問題，溫度上來，它會觸發電池里的副反應，隨著溫度的升高，我們電池里會出現一系列的副反應，這些副反應都會放熱，導致熱的失控。另外一種原因，電觸發的，比方外部短路、內部短路、過充，這些都會導致產熱，然后出現熱失控。還有一個原因就是碰撞，比方說車輛的碰撞、擠壓。擠壓之后就像一個針刺了電池相同，然后短路，發生電的觸發，產熱，然后熱再引起熱失控。隨著溫度的升高，會觸發不同的副反應，比如說石墨負極與電解液的反應、電解質的分解、大規模的內短路等，導致最后電解液燃燒，最后熱失控，放熱速率會非常快。一個熱失控之后會導致它在一個電池里面的傳播，它會在整個電池組里面迅速擴散。
過熱的原因和解決辦法，包括電池的選型和熱設計的不合理，或者外短路導致電池的溫度升高，或者是電纜的接頭松動等，解決辦法有兩個方面，一個是電池的設計，一個是電池的管理。比如說我們可以開發防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應。另外，電池管理的角度，我們可以通過預測不同的溫度范圍，來含義不同的安全等級。比如說在不同的階段，我們可以算出它的溫度是多少，來判斷含義不同的安全等級，進行分級報警。第二個問題，有關過充電觸發的熱失控，比如說前一階段出現的電動巴士的燃燒就是這個原因，最后發現是電池管理系統本身對過充電的電池管理系統的電路沒有功能安全，導致電池的BMS已經失控后還在充電導致的。
隨著電池的老化，各個電池之間的一致性會越來越差，當然過充就更容易發生了，還有一個問題，就是電池組的容量比單體的容量下降的更快。所以我們必須了解這個過程，在此基礎上，我們要進行整個電池組的均衡，來保持電池組的一致性，這就是一個均衡的原理。大家可以看出對一個串聯的電池組，我們現在重要是先并后串，這是最常見的電池組組合方法。我們可以看出，最后可以得到電池組容量就是那個最小容量的單體，這是我們可以達到的最大的電池組容量，也就是說一個串聯電池組容量，它實際上最好的情況就是跟最小容量的單體相同大的容量。有了這個一致性之后，我們容量也回升了，同時過充這種情況也會防止。為了實現這個一致性，我們就必須對各個單體進行容量估計，也就要有一種方法來進行容量估計，這就是根據充電曲線的相似性來進行全體電池組的狀態的估計，也既是說只要了解了其中一只單體的電池的曲線，其他的曲線應該跟它是相似的，經過曲線變化，他們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易算了，也就是說根據一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法我們就可以進行剛才的一致性的均衡，當然這種算法的時間過長，所以要進行簡化。
關于內短路觸發的熱失控，比方說波音的787事件，最后找到的原因，電極和隔膜上有金屬物，有了內短路，無法100%確認這個熱失控是內短路觸發的，但是它是最可能的原因，因為找不到其他原因，而且內短路沒辦法浮現。內短路是什么原因，有三種，一種是電池制造雜質，金屬顆粒，另外是充放電膨脹的收縮。內短路是緩慢發生的，時間非常長，而且你不了解它什么時候會出現熱失控。而且這個試驗也是無法重復的，現在我們還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程。
目前全世界都在研究這個問題。要解決這個問題，第一個方面是電池的選擇和電池單體容量的選擇，當然你要找到好的電池廠商，它的品質要好；第二是內短路的安全預測，我們在沒有發生熱失控之前，要找到有內短路的單體。我們必須要找到它的特點參數，先從一致性著手，電池是不一致的，內阻也是不一致的，我們只要找到中間有變異的單體，我們就可以把它辨別出來。怎么辨別，有一個辦法，這就是正常的一個電池的等效電路和發生了微短路的等效電路，我們把它的方程寫出來的話，方程的形式實際上是相同的，正常單體、微短路的單體，只不過這里頭的參數發生了變化，所以我們可以對這些參數來進行研究，它在內短路變化中的一些特點。比方說內短路單體的電勢差，它的內阻跟其他單體的差異，這些都會有特點。我們根據這些特點，把這些特點辨識出來，再利用模型來進行單體的辨識，因為我們可以測到每個單體的電壓，每個單體的電流，利用這些數據再結合模型，我們就可以把每個單體的內阻估出來，把它的這些參數全部估出來。根據這些參數的變化，我們來判斷它的一致性是否發生了顯著性變化。第三種觸發是機械觸發，比方說碰撞，特斯拉就是這樣的，特斯拉在美國撞過好多輛車，我們清華大學跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進行過分析。假如我們在實驗室進行碰撞的仿真，最接近的就是針刺，用針里來刺這個電池。我們假如做其他的，比如說磷酸鐵鋰離子電池，顯然在這個過程中它就沒有三元電池那么厲害，大家可以看電池極的溫度，基本上最高溫度在120℃，可以看出不同的材料在針刺的時候反應不相同的，磷酸鐵鋰相對安全。所以到現在為止，仍然堅持在大客車中間重要使用磷酸鐵鋰離子電池，暫時還不宜大規模使用三元電池，尤其對大客車。再比如碳酸鋰離子電池，它也問題不大，不同的電池類型表現情況是不相同的。
為了研究針刺，我們會做一些三維的仿真模型，我們也可以做碰撞，怎么撞的，撞了之后怎么變形的，這些我們也做過很多研究。在此基礎上來進行安全性的設計，比方這個碰撞要解決的辦法就是電池的安全保護設計，這個是很有講究的。熱失控發生之后，它會往下傳播，因為第一節熱失控之后它會有傳熱，然后開始傳播，比如說有一個熱失控了，然后整組會像放鞭炮似的一個一個接下來。傳播我們可以建立一個模型來考察中間溫度升高率，化學能電能的產熱，還有傳熱對流等。整個熱電耦合的模型，我們可以用量熱儀來做一個相關的定量的分析。有了傳播模型我們就可以設計如何來阻斷和抑制，這就是要加隔熱層。但是加隔熱層也不是個簡單的問題，加厚了體積大，而且隔熱層跟冷卻又是矛盾的，所以這些都是要解決的問題。總之在熱失控擴展和抑制方面，要從安全保護設計和電池管理兩個方面來著手。
