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【锂盾材料·铝塑膜】雷洪钧博士观点:电动汽车动力电池安全性揭秘

分类:
公司新闻
作者:
来源:
2019/06/29 17:51
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【摘要】:
发展纯电动汽车,是中国弯道超车的基本战略,动力电池安全性是必须要解决的基本问题。
  目前人们对燃油汽车的安全性不太关注了,即使发展重大的交通事故,媒体也很少质疑燃油汽车的安全性,关注、提高、改善燃油汽车安全性已经是专业工程技术员的工作了。但是电动汽车的安全性,不仅媒体关心和质疑,而且一些有影响力的科学家,也在反对发展纯电动汽车。这是为什么?下面对电动汽车动力电池安全安性予以分析和探索,以便回归到常态的轨道上来。
  一、电动汽车的安全性,媒体特别关心和质疑的道理何在?
  电动汽车的发展特别迅速,2018年产销规模已经实现120多万辆,预计2019年可以实现160万辆,北京纯电动汽车不限行后,其利用率提高了20%。北汽纯电动汽车,如图1所示。
 
 
  也就是说,电动汽车正在越来越多地进入平民百姓家里。平民百姓对电动汽车安全性,有强烈的了解欲望,否则不放心购买和使用。媒体要满足老百姓的心理需求,所以媒体特别关心和质疑电动汽车的安全性,这有助于老百姓提高安全意识,有助厂家提高产品质量。一句话,媒体特别的关心和质疑,有助电动汽车的健康发展。电动汽车的发展是在媒体的特别关心和质疑中成长起来的。电动汽车的安全性到什么时候媒体才不再关心和报道呢?估计要等到电动汽车基本普及了,百姓对电动汽车不再有神秘感的时候。
  二、电动汽车的神秘感在于动力电池
  传统汽车用于发动机点火和汽车照明的电池是铅酸电池。这个铅酸电池不是动力电池,是辅助角色,对燃油汽车安全性影响不大。而今天的动力电池,不是铅酸电池,而是锂离子电池。锂离子电池是什么东西?老百姓以前没有用过,许多工程技术了解甚少。不了解,自然产生了神秘感。越神秘,越有恐惧感;越有恐惧感,越关心他的安全性。
  破除老百姓的神秘感,第一步要认识什么是电池。理解水池功能的人,比较容易理解电池的功能。水池是存储水的容器。通俗地理解,电池是存储电能的器件。水是液体,好理解。电是什么?看不见,比较难理解了。什么是电?的确,很难对普通老百姓解释到位。但是日常生活常识,告诉大家,有电,电灯能亮起来;有电,才能看电视;有电,才能开空调。电哪里来的?是用钱从供电公司买的,供电公司的电是从哪里来的?老百姓就不再关心了。
  燃油汽车,是内燃机烧油做工,来驱动汽车的。电动汽车是电动机耗电驱动的。也就说,没有电,电动汽车就开不了。电动汽车上的电,是哪里来的,也是从供电公司,用钱买来的。电动汽车的电与家里空调的电,有什么不同?家里空调的电,是用电线连着供电公司的,而电动汽车电,必须用供电公司的电线给电池充电。电动汽车开动的时候,电动汽车电池与供电公司的电线就断开的。电池里的电,用完了,再用供电公司的电线,给电池充电。也就是说,动力电池不是太神秘。
  为什么老百姓,对动力电池还是比较神秘呢?媒体经常报道,不仅中国电动汽车爆燃,连美国特斯拉电动汽车也爆燃,而且汽车爆燃后,画面十分恐怖。为什么工程师解决不了这个问题?工程师还没有解决有安全问题的电动汽车,为什么要卖给老百姓?电动汽车安全性还没有绝对保证,老百姓为什么要去买?以上问题,工程师有义务回答。
  三、动力电池是一个新东西,但是发展很快,科普也跟不上
  从最初的不可充电电池(如锌锰干电池)到可充电电池(如铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池)到最近的锂离子电池,电池的发展已有200多年的历史了。而锂离子电池技术从上世界60年代才开始研究,1992年才被日本索尼公司商业化推向市场,2008年北京奥运以后,中国政府才将锂离子电池用到纯电动汽车上来。也就是说,中国政府发展纯电动汽车是建立在锂离子电池的基础上,是中国的推广应用才把锂离子电池推到动力电池位置上来。这样2个基本问题就提出来了:
  (a)锂离子电池能不能担当动力电池?当时锂离子电池比能量相对于动力电源的要求,还是相当远的。按传统思维,锂离子电池单体额定电压是4.2V,而电动汽车要300多V,大型客车要600V,这要多少单体锂离子电池串联起来?特斯拉的电池系统用了7000多节单体电池,要进行并联再串联。工程上用什么技术来保障,其并联再串联的机械层面的安全可靠?
  (b)发展电动汽车选择锂离子电池,有什么风险?如何克服这些风险?按传统思维,锂离子电池2008年其比能量密度不到100wh/kg,汽车要背多重的电池?汽车是运输工具,背如此多的动力电池,其经济效益在哪里?电动汽车选择锂离子电池作为动力电池,有科学依据吗?
  (c)大体积、大重量的动力电池在车上安全吗?
  10年间动力电池发展历程告诉人们,锂离子电池比能量密度已经实现300wh/kg以上了,再过几年能不能超过500wh/kg,有待观察。现在人们比较认可的、安全的磷酸铁锂电池,当初也是不安全的。今天,人们质疑动力电池安全性主要集中在三元电池上,主要原因是三元电池的研究与开发落后于磷酸铁锂电池。也就是说,三元电池安全性有一个验证期,再过几年,三元电池的安全性会与磷酸铁锂电池一样,会比较安全的。日本三井公司技术人员向笔者介绍,他们认为三元电池可以向电动大客车推广应用了,其安全是保障的。目前中国三元电池还没有批准在大客车上使用。
  四、三元电池与其他动力电池安全机理上的比较分析
  目前的动力电池,基本上是锂离子电池。根据正极材料不同,市场上锂离子动力电池,再细分为,钛酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、富锂锰基电池、三元锂电池。接下来,三元锂电池按正极材料的不同材料成分比例不同,又细分424、523、622、811等。要说明的是,动力电池比能量高低是由正极材料的性质决定的,发展高比能量动力电池是一个历史性的基本趋势。可以这样说,如果没有高比能量的动力电池做支撑,中国发展纯电动汽车的技术路线是走不通的;如果没有高比能量的动力电池做支撑,中国发展新能源汽车的弯道超车,永远是一个梦想。
  但是,发展高比能量的动力电池,保障安全性是基本要求。否则研究高比能量动力电池,就没有商业价值。实际情况是,高比能量电池研究是一个基础理论课题,而研究其安全保障措施是工程应用问题。笔者理解,基础理论课题能突破,安全保障措施一定能跟上,时间一个先,一个在后。下面是三元电池与其他动力电池安全机理上的比较分析。
  1.铅酸电池也是危险品,外部条件满足,也会爆燃
  普通富液型铅酸蓄电池,由于在正负极板间充满了液体,无间隙,所以在充电过程中正极产生的氧气不能到达负极,从而负极未去极化,较易产生氢气,随同氧气逸出电池。氢气是易燃品,也会爆燃。因为不能通过失水的方式散发热量,铅酸电池过充电过程中,产生的热量多于富液型铅酸蓄电池。较易发生热失控。铅酸电池如图2所示。
 
 
  2.钛酸锂安全性高的理由?
  这里是用钛酸锂负极材料。其他锂离子电池的负极材料是石墨。其特点是工作温度范围宽,循环寿命长,可大倍率充放电等等,按新国标要求,钛酸锂电池能经过针刺、电钻、切割的实验,结果并没有发生起火、爆炸等现象。但是钛酸锂电池有一个“产气”问题,厂家在积极解决它。
  3.磷酸铁锂电池安全性比较高,可以装配大客车
  动力电池允许装配大客车,其安全等级是比较高的。因为大客车安全等级是汽车里面最高的。磷酸铁锂电池安全性高在哪里?
  磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,难以分解,即便在高温或过充时,也不会像钴酸锂一样,结构崩塌发热或是形成强氧化性物质。有报告指出,在针刺或短路实验中,发现有小部分样品出现燃烧现象,但未出现一例爆炸事件。磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃,工作温度范围宽广(-20C--+75C)。磷酸铁锂材料有关参数,如表1所示。
 
 
  4.三元(镍钴锰酸锂)电池安全性如何改善
  三元(镍钴锰酸锂)电池担负高能量电池的使命。可以这样理解,是在锰酸锂电池的基础上,对正极材料进行了改进,其目的是提高其比能量。三元材料电池有关参数,如表2所示
 
 
  目前中国三元电池比能量已经超300wh/kg,接下来,要完成安全性的攻关。具体地,要完成622和811两种规格三元电池的安全性攻关任务。可以这样理解,三元(镍钴锰酸锂)目前不能上纯电动大客车,说明三元电池离高安全要求还有一定距离。但是商用的三元电池可以上纯电动乘用车,说明其安全性基本是有保障的。
  五、总结
  以上介绍是工程技术层面的安全问题。实际上,中国政府对电动汽车监管制度已经比较健全,对厂家生产资质实现动态管理,对产品公告也是实现动态管理,对技术上跟不上、对产品质量保证不了的厂家的淘汰率是比较高的,对上市电动汽车实现召回制度,出现安全质量比较严重问题的汽车产品,随时有被召回的可能。
  发展纯电动汽车,是中国弯道超车的基本战略,动力电池安全性是必须要解决的基本问题。对普通用户而已,放心采购的同时,要与厂家服务部门保持联系,接受厂家的技术指导。
  注:本文作者雷洪钧博士为扬子江汽车公司高级工程师,中国新能源企业家俱乐部专家委员会主任