鉅大LARGE | 點擊量：544次 | 2022年11月08日
電動汽車爆炸事件頻發，如何根治的鋰電安全性隱患
近日，威馬汽車一輛經過多輪試驗報廢的早期試裝車自燃，引發了業內人士的廣泛關注，再次將鋰離子電池的安全問題推向了輿論的風口浪尖。
事實上，近些年來手機和筆記本電池燃燒爆炸早已不能吸引眼球，電動汽車爆燃和鋰電工廠的大火才算是新聞。前有波音787“夢幻”客機鋰電池起火，后有三星SDI天津工廠廢舊電池起火，一波未平一波又起的鋰電池安全事故不得不讓鋰電產業警惕。
而要解決鋰電安全問題，首先要知道鋰離子電池安全事故產生的原因。
鋰離子動力電池的安全性主要取決于基本的電化學體系以及電極／電芯的結構、設計和生產工藝等內在因素，而電芯所采用的電化學體系則是決定電池安全性的最根本因素。
無法根治的鋰電安全性隱患
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%
鋰電池在過充過放、快速充放電、短路、機械濫用條件和高溫熱沖擊等情況下，容易觸發電池內部的危險性副反應而產生熱量，直接破壞負極和正極表面的鈍化膜。當電芯溫度上升到130℃以后，負極表面的SEI膜分解，導致高活性鋰碳負極暴露于電解液中發生劇烈的氧化還原反應，產生的熱量使電池進入高危狀態。
當電池內部局部溫度升高到200℃以上時，正極表面鈍化膜分解正極發生析氧，并繼續同電解液發生劇烈反應產生大量的熱量并形成高內壓。當電池溫度達到240℃以上時，還伴隨鋰炭負極同粘結劑的劇烈放熱反應。
由此可見，溫度控制對鋰電安全性具有重要意義。值得一提的是，在鋰電池的熱失控中，直接原因是負極表面SEI膜的破損從而導致高活性嵌鋰負極與電解液的劇烈放熱反應，正極材料的分解放熱只是熱失控反應其中的一個環節，因此所謂磷酸鐵鋰（LFP）因熱穩定而更安全的說法是有失偏頗的，其安全性也只是相對而言。
值得一提的是，鋰離子電池的安全性隱患是其電化學體系所決定的，即便再出色的電池管理系統（BMS）也無法從根本上解決鋰離子動力電池的安全性問題。
盡管鋰電安全隱患無法根治，但我們仍然可以通過諸如熱控制技術（PTC電極）、正負極表面陶瓷涂層、過充保護添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等等等技術的綜合性應用來有效的改善鋰電的安全性。
此外，電芯的失效只是整個電池系統安全隱患的一小部分。站在模組的角度，由于電芯結構、工作方式和環境等多方面的因素會使得電芯的安全隱患加倍的體現出來，因此動力系統的結構設計、控制系統、生產管控的嚴密性等等才是更加重要的部分。
這也是為什么市場上無法直接買到鋰電池電芯的原因，電池芯生產商只會向經過授權的Pack公司銷售自己的電芯，再由Pack公司將電芯與保護板封裝成電池包出售給電器生產商而不是消費者。此外，電池包必須與專用的充電器搭配并嚴格按照規定的方法使用，其實研究一下眾多的電動汽車充電自燃事故，不難發現，很大一部分自燃事件都是使用者沒有嚴格按照充電要求進行操作。
固態電池會成為電動汽車安全問題的“救世主”么？
面對鋰電池帶來的安全隱患，整個新能源產業鏈都花盡了心思，也取得了一定效果。從鋰電安全防護途徑來看，主要分為兩個層面：一是防止電池失效的產生，二是防止失效電池的擴散。
前者比較好理解，大部分措施及研發都是為了達到這個目的，但筆者在前文中已提及，電芯的安全隱患是無法根除的，因此將電芯失效的危害控制在單個電芯內，防止其擴散甚至產生安全事故就顯得尤為重要，而在這個過程中，BMS扮演著核心角色。值得一提的是，特斯拉動力系統一直被業內人士津津樂道的原因也正是其強大的BMS系統，真正論及電池技術，特斯拉反而不值一提。
此外，當前越來越“吸睛”的固態電池，也是鋰電安全的質變所在，甚至不少人將其作為電動汽車安全問題的希望所在。包括豐田、松下、三星、三菱、寶馬、現代、戴森、博士以及鋰電池之父約翰·古迪納夫的團隊都宣布正在開發固態電池；而在國內，寧德時代已做出表率，在聚合物和硫化物基固態電池方向分別開展了相關的研發工作并取得了初步進展，并在規模化生產上提出了初步的工藝路線。
其實固態電池本身并不是什么新興技術，早在2010年左右就有產品問世。所謂固態電池，就是通過采用固態電解質，一方面可以提升電壓平臺，進一步提升電池能量密度；另一方面在固固反應中可以減少氣體排放，大幅提升鋰電池的安全性能。
盡管固態電池的前景空前美好，但其量產之路卻困難重重，其中最主要瓶頸是固態電解質的導電率、內阻、界面阻抗及相容性等等。因此，現階段各大企業的研發重點是固態聚合物電解質、無機固體電解質的設計及制備技術，固／固界面構筑及穩定化技術；并在此基礎上完善電池生產工藝及專用設備的研究，來實現產品的量產。
清陶（昆山）能源發展有限公司總經理李崢博士表示，固態電池從技術成熟到工藝成熟，再到產品成熟需要一個過程。從今年開始，固態電池會陸陸續續應用到手機數碼、穿戴設備及一些特殊領域上，2019－2020會開始形成規模化（這里的應用是實實在在被老百姓使用）；同時2020年，固態電池會在汽車上做示范運營，并在2025年左右大規模應用。
固態電池確實能使鋰電在安全性上完成質變，但固態電池距其量產應用還有一段不小的距離，遠水難解近渴。當下更應該考慮的是如何通過結構升級、工藝改善等措施進一步來保證動力電池的安全性能。
當前新能源產業發展的安全性隱憂
雖然任何一家電池企業都在反復強調安全性是產品研發的首要目標，但隨著補貼政策的調整以及電動汽車市場的需求，能量密度在產品中扮演著越來越重要的位置，尤其是電池本身就是一個講究綜合性能的產品，單純的提升單一性能，難度并不大。在市場和政策的雙輪驅動下，很難保證電池安全性會受到最大程度的重視。
一個擺在眼前的事實是，Apple手機的電池容量一直被消費者詬病，相較于華為、oppo、Samsung等品牌來說，Apple的電池容量確實不夠看，但其安全和抗衰減性能卻非常出色。Apple并不是不能配備更高容量的電池，只不過出于安全性的考量，犧牲了部分能量密度而已。
事實上，國外的電池企業往往會為了最大化的安全性能，從而犧牲部分電池容量，其續航里程的領先更多是基于出色的電池包及動力系統總成設計。反觀國內其實很尷尬，在滿足所謂的安全標準的基礎上，幾乎將能量密度提升到極限，而這種現象還有愈演愈烈的趨勢。
當前，排名靠前的電池企業都在追求811型號的高鎳三元鋰電池，誠然高鎳意味著更可觀的能量密度以及減少鈷價對電池成本的影響，但同時也意味著更高的技術壁壘和更嚴苛的生產工藝。比較諷刺的是，目前國內電池生產的一致性頗有些不堪入目，很難想象同一批次生產的成品會出現A品、B品、C品、D品。
此外，與電池安全性息息相關的BMS系統也有待進一步提升。近年來，國內涌現出上百家BMS企業，但其技術來源其實只有2到3家，相對其他的鋰電產業鏈，BMS投入相對較小，但其利潤巨大。于是不少“資深”BMS工程師，學會了一套方案后就出來創業（鋰電從來不缺資本），這導致了鋰電BMS領域百家爭鳴，卻只有一兩套方案打天下。當然，隨著動力電池產業的發展，不少裸泳者已經被淘汰，但國內BMS技術與國外仍存在著較大差距。
筆者想要強調的是，在生產工藝及電池管理系統相對落后的情況下，一味的強調能量密度，會不會有點過猶不及。畢竟對電動汽車的消費者而言，想要的是絕對安全，而不僅僅是安全達標。當然，能在保證安全的前提下，沖擊更高的能量密度，筆者自然是樂見其成的。
下一篇：動力蓄電池回收利用存在問題分析
