怎樣保證鋰電池的安全性

幾日前，網(wǎng)友在微博上傳了一段某國產(chǎn)新能源汽車在廣州馬路邊電池自燃爆炸的視頻，引起了全民關注。事發(fā)六天前，威馬新能源汽車在其成都研究院內(nèi)剛發(fā)生過自燃事件。就連新能源汽車的對標對象特斯拉都未能避免這樣的狀況，北汽、野馬、榮威、比亞迪等也都先后被爆出過自燃問題。中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高就直接指出，目前純電動車最大的風險就是電池的安全性。

為什么電池成為了新能源的桎梏？

眾所周知，新能源汽車的的優(yōu)勢就在于相較于以汽油為燃料的車更加低碳環(huán)保。它采用的是非常規(guī)的車用燃料作為動力來源，如鋰電池、氫燃料等。鋰電池的應用領域也非常廣泛，除了新能源汽車之外，手機、筆記本電腦、平板電腦、移動電源、電動自行車、電動工具等等。

目前，無論是全球知名的特斯拉亦或者國內(nèi)知名的小鵬汽車、蔚來汽車以及比亞迪等主流的新能源汽車使用的都是鋰電池。這些新能源汽車廠商使用的鋰電池按照正極材料分類又可以分為：磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池（包括 NCA 和 NCM）、錳酸鋰池、鈷酸鋰池、鎳氫電池、鈦酸鋰池等。其中，特斯拉、北汽 E200／150、廣汽傳祺 GA5EV、北京奔馳、華晨寶馬 5 系、蔚來汽車等使用的都是三元鋰電池。而曾經(jīng)使用磷酸鐵鋰電池的比亞迪也在后來轉(zhuǎn)向了三元鋰電池陣營。

但是無論是三元鋰電池亦或者磷酸鐵鋰電池，都躲不開易燃易爆的隱患。

鋰是世界上最活潑的金屬，由于其化學特性太活潑，當鋰金屬暴露在空氣中時會與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應，因此容易產(chǎn)生爆炸、燃燒等現(xiàn)象。此外，鋰電池充放電過程中內(nèi)部也會產(chǎn)生氧化還原反應，爆炸和自燃主要都是因為鋰電池發(fā)熱后所累積起來、來不及擴散和釋放所導致的。簡單來說就是鋰電池在充放電過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這會導致電池內(nèi)部溫度升高以及單體電池之間的溫度不均勻，從而造成電池的新能不穩(wěn)定。

今年 8 月，蘋果公司位于荷蘭阿姆斯特丹的零售商店就因 iPad 電池爆炸并向空氣中釋放潛在的有害物質(zhì)，零售店不得不緊急疏散店內(nèi)的消費者暫時關門。而此前，三星、小米、華為等也都曾被爆出過手機自燃事件。多次事故顯示，當人們充電不當、或者環(huán)境溫度過高等情況下，極容易引發(fā)鋰電池自燃、爆炸，這也成為使用廠家的一塊心病。

為什么一定要鋰電池

電池選擇上的局限，很大程度取決于電池自身的發(fā)展與商用條件。世界上第一個電池 ＂ 伏特電堆 ＂ 是用鋅板和錫板制成的，之后相繼出現(xiàn)了鋅、銅電池，濕電池、干電池，因不會遺漏、便于攜帶，干電池在之后很長一段時間內(nèi)得到了廣泛應用，爾后被愛迪生發(fā)明的可充電鎳鐵電池所取代。最終采用鈷酸鋰作為正極材料，金屬鋰作為負極材料而制成的鋰離子電池成為了市場最后的選擇。

相較于其他電池，鋰電池有著明顯的優(yōu)勢。它的使用壽命很長，在六年以上，并且電池體積小、能量密度高，可達到 460－600Wh／kg，是鉛酸電池的 6 到 7 倍。目前，特斯拉宣布與松下聯(lián)合研發(fā)的 21700 電池系統(tǒng)能量密度就達 300Wh／kg。與此同時，鋁電池具備高功率承受力，新能源汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可達到 15－30C 充放電的能力，這便于汽車高強度的啟動和加速。鋰電池具有高低溫適應性很強、綠色環(huán)保、生產(chǎn)過程中基本不消耗水等特性。

而電池的商用方面，因為受到體積重量、能量的儲存及釋放能力、保存時間、使用壽命、成本、使用便捷度、量產(chǎn)等多項條件限制，能夠進行大規(guī)模商業(yè)化應用的電池不過寥寥。綜合這兩方面原因，鋰電池成為了最佳解決方案。

雖然鋰電池本身的屬性決定了其 ＂ 易燃易爆炸 ＂ 的宿命，但并不是完全無法降低風險和安全性的。無論手機企業(yè)亦或是新能源汽車公司，通過合理的電池管理系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)，電池就能夠保證安全，也不會發(fā)生爆炸或者自燃現(xiàn)象。

如何解決？

電池在工作中會釋放熱量，來不及釋放就會自燃、爆炸。因此，可以通過電池熱管理系統(tǒng)進行管理。新能源汽車配備的熱管理系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)讓電池在溫度過高的時候?qū)ζ溥M行冷卻，而溫度較低的時候則進行預熱，由此更好地發(fā)揮電池的性能，特斯拉獨有的電池管理系統(tǒng)就是典型的代表。

特斯拉為其生產(chǎn)的汽車配了數(shù)千塊鈷酸鋰電池以提供動能，它應用的 18650 電池壽命能夠循環(huán)充電 1000 多次，但由于電池單位密度容量大，因此自燃、起火的風險也就更高。而特斯拉就是通過其電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)對電池各種物理參數(shù)實時監(jiān)測、評估電池使用狀態(tài)、并進行在線診斷和預警，同時也能夠進行放電與預充控制、電池的均衡管理和熱管理等。以其電池熱管理為例，通過液體冷卻，即 50％ 的水 ＋50％ 的乙二醇，來控制電池的溫度升高。

事實上制造商們也早已經(jīng)意識到鋰電池的局限性，燃料電池、石墨烯電池、鋰空氣電池等都是研發(fā)的方向。而燃料電池中氫燃料電池最受關注，氫能源汽車作為新能源汽車的一個分支，也一直在做商用探索。

2008 年，我國自主研制的基于大眾帕薩特車型，通過改制和集成的燃料電池車在同濟大學新能源汽車工程中心舉行赴京發(fā)車儀式，并且在北京奧運會期間投入運營。如今，十年已過，在今年上海召開的 CES Asia 中，現(xiàn)代汽車就展出了新一代氫燃料電池車 NEXO。該款車型的燃料電池系統(tǒng)效率達到 60％，已經(jīng)是世界前沿的水平。

與鋰電池相比，燃料電池的安全性更好，由于氫氣爆炸要求濃度極高，因此在爆炸前往往已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。并且，氫氣的密度低于空氣的密度，即便起火也是在氣源的上方，而不會像鋰電池或者汽油，燃料在車艙底部，整個車會迅速報廢。此外，燃料電池還擁有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、噪音低、可靠性高、易于建設電池電站等優(yōu)點。

當然，燃料電池的成本高、運輸、儲存也是其相比于鋰電池的不足。

最 后

同樣使用鋰電池的手機，也在自燃、爆炸問題上遇到過一次次的難關，更遑論新能源汽車，它要兼顧的難點更多。新能源汽車是時代驅(qū)動的必然，它的大范圍應用毋庸置疑，盡管資金、量產(chǎn)等都是新能源汽車迫在眉睫的問題，但任何時候，產(chǎn)品的安全都是首位。