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動力鋰電池真能永不起火?

鉅大LARGE  |  點擊量:1189次  |  2021年01月08日  

十二月十二日,北京城里飄起了雪花,中關村力學所里一片靜謐。2個月前,一輛電動汽車在這里爆炸起火,現在已經看不到痕跡。


夏季起火,冬季趴窩,2020年,新能源市場高奏凱歌,但電池問題依然無解。2020年新能源大會期間,應急管理部消防救援局副局長曹奇表示,僅前三季度就有新能源車火災700起,涉及幾乎所有新能源車品牌。


十月動力鋰離子電池應用國際峰會上,寧德時代董事長曾毓群喊出“永不起火”的口號,孚能、欣旺達也隨后跟進。電池安全問題,即將徹底解決?


■什么是“永不起火”


“永不起火”是一個令人心動的暢想,但一場場大火,提醒我們必須關注依然嚴峻的現實。


準確點說,“永不起火”是指“電芯熱失控后可控”。2020年五月,工信部公布《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》、《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制國家標準。其中,“電池安全要求”明確指出,動力鋰離子電池在發生熱失控后,5分鐘內不得發生起火和爆炸。


電池“永不起火”,是電池公司在國家強制標準基礎上做的延伸。孚能科技認為,永不起火是指“第一個電芯失控,此后24小時內未起火,且電芯逐步恢復至常溫安全狀態。欣旺達的表述更加簡單,即電池“只冒煙,不起火”。


廣汽新能源技術中心副部長劉太剛表示,電池“永不起火”并不是說電池在任何情況下都不會燒起來,而是對電池熱失控能起到抑制。明確含義后,這里又涉及到另一個問題,當我們說“永不起火”時,是特指三元鋰離子電池,還是所有電池?


2020年,在比亞迪刀片電池帶動下,磷酸鐵鋰市場回暖。據我國汽車動力鋰離子電池產業創新聯盟統計,2020年1-十一月,磷酸鐵鋰累計裝機量28GWh,同比上升49.3%;三元鋰累計裝機量40GWh,同比上升35.6%。磷酸鐵鋰能夠在增速上反超三元,安全是重要因素。


穩定是磷酸鐵鋰正極材料的優勢,但假如說磷酸鐵鋰離子電池比三元鋰離子電池更安全,則有偷換概念之嫌。電池安全性,除了材料本身穩定性,電池包殼體強度、模組設計、電池系統管理(BMS)、生產工藝,都會影響電池安全。


雖然當下電動汽車失火多與三元電池有關;但在三元鋰普及前,磷酸鐵鋰失火案例同樣不少。只是如今磷酸鐵鋰技術已經成熟,失火情況才得以杜絕。


回顧2020年電動汽車失火案例,不難發現失火原因多與小供應商、低端產品、私自改裝有關。三元鋰,特別是高鎳三元技術尚未成熟,部分公司產品沒有達標,從而引起公眾認為三元材料本身不安全。


劉太剛說,把安全性和某一種技術路線綁定起來,容易引起消費者誤解。從行業趨勢看,“永不失火”將成為2021年電池行業標配,各主機廠、電池廠都將在這一方面加大研發力度。無論磷酸鐵鋰還是三元811,都要全場景、全周期、全方位、全系統安全。


■攻克安全難關


如何實現“永不起火”?是電池公司與車企要共同面對的問題。


我國科學院院士、動力鋰離子電池專家,清華大學教授歐陽明高認為,解決動力鋰離子電池安全問題,要從本征安全、主動安全、被動安全三方面入手。


本征安全即弄清電池熱失控機理,從原理層面控制電池失火。歐陽明高表示,目前磷酸鐵鋰,三元523、811,發熱機理都已基本清楚。在本征層面控制電池安全可以實現。


除磷酸鐵鋰和三元高鎳兩條主流路線外,2021年六月,蜂巢“無鈷電池”也將量產落地。“無鈷電池”采用高電壓鎳錳酸鋰正極材料,與三元鋰、錳酸鋰相比,鎳錳酸鋰高壓導電性、比能量、成本、安全性均具有優勢。但鎳錳酸鋰制造工藝一直是難點,無鈷電池量產,將給電池安全帶來新的可能。


主動安全指通過BMS,對電池安全邊界加以主動控制。在電池安全性方面,車企要承擔更多責任。除電池本身安全性,整車電池管理能力、車身結構強度,也是防止電動汽車失火的重要方面。


十一月六日,蔚來公布100kWh電池,公布會上蔚來創始人李斌稱:“蔚來的加入,讓寧德時代實現永不起火的計劃提前了4年”。蔚來大幅提高電池安全性,關鍵是與寧德時代合作時,在BMS中集成了一個傳感器元件,并通過云端大數據,對電池狀態實時監控,從而提升電池安全性。


被動安全是在電池發生問題后,擁有足夠的安全冗余,實現“不冒煙,不起火”。寧德時代方面接受訪談時表示,為了做到“永不起火”,寧德時代重要依靠自主研發的自隔離安全技術(NP技術),使電池做到單體耐溫耐壓、模組內不擴散、系統內不蔓延。


除了技術問題,實現電池安全還要解決非技術問題。劉太剛表示,在追求“永不起火”時,小公司的產品穩定性和技術可靠性往往會差一點。假如車企選擇供應商不當,即使技術問題得到解決,產品安全也不能保證。


電池安全是一個系統性問題,既涉及到材料研究,也涉及到應用問題、結構優化,整車策略優化。實現電池安全,要車企與電池公司共同努力。


■電池產業走向何方


2020年行至尾聲,雖然電池起火給行業蒙上一層陰影,但發展趨勢并沒有改變。平安證券預測,到2030年,全球動力鋰離子電池出貨量將達到1577GWh。中商產業研究院預測,2021年,我國動力鋰離子電池市場出貨量將達到157GWh。


市場前景看好,更要解決電池安全隱患。欣旺達電池副總裁梁銳認為,過去幾年在市場需求刺激、補貼政策引導下,部分電池公司、車企急于讓高能量密度電池上車,對電池的研發驗證不夠充分。只有靜態測試,忽視動態測試,導致部分電動汽車出現起火事故。


安全是商用的基礎。在2020年國家強制標準出臺后,電池安全被擺到首要位置。在保證安全性的前提下,多種技術路線要同步發展。


2020年,幾場有關電池安全的爭論,最終都淪為對某一技術路線的批判。歐陽明高表示,“磷酸鐵鋰可以有更高能量密度,三元也可以更安全,應當均衡發展?!苯鉀Q安全問題,不等于選擇某一條技術路線,磷酸鐵鋰、三元鋰,包括無鈷電池、石墨烯電池,都有可能在市場占據一席之地。


智能電池,是電池安全的另一個發力點。通過在電池包獨立模組上新增電子監控元件,利用5G、云端技術增強電池監控。通過主被動安全多管齊下,讓電池“永不起火”并非癡人說夢。歐陽明高說,“極端情況雖然不可防止,但讓熱失控時不燒起來,從技術角度是可以做到。從工程角度、從大規模應用角度,目前(起火)還是會偶爾發生一些,但是會越來越少。”


當電池足夠安全,追求更高續航,是每一位電池從業者的“永恒追求”。在蜂巢能源表示無鈷電池將突破800km限制后,近期智己汽車又宣布將攜手寧德時代,在5年內推出最高1000km續航、20萬公里零衰減的電池。


梁銳認為,電池問題最終解決還是要看固態電池。目前,在實驗室里固態電池已完成技術驗證,但想要大規模商用,還需跨越“體系不穩定、循環壽命短、易膨脹變形、成本高”等多道難關?!邦A計大規模商用要到2030年”,梁銳說。


從更長遠看,電池公司想解決安全問題,要通過材料研發和設備工藝積累,構建全產業鏈整合能力,這也是未來電池公司核心競爭力。


■結語


梁銳感嘆,電池行業“忽悠”不少,但永不起火是行業共同追求。電動汽車起火,除了技術問題,也有車企和電池公司“人為因素”,一味追求高續航、誤導性宣傳,會加劇用戶對產品不信任,最終對行業不利。消費者既要產品安全,也要心理安全。打消公眾對電動汽車的疑慮。要全行業共同努力。


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