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鋰電池?zé)岬模⒗洌⑺伎迹含F(xiàn)今的電動(dòng)汽車能快充嗎?

時(shí)間:2018-10-22 17:01來(lái)源:澎湃新聞 作者:綜合報(bào)道
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        8月20日遼陽(yáng)一輛電動(dòng)汽車著火,8月23日聊城發(fā)生電動(dòng)火車著火事件,8月25日成都威馬汽車起火,8月26日安徽銅陵一輛安凱電動(dòng)客車著火……2018年5月到8月,公開(kāi)報(bào)道的電動(dòng)汽車事故多達(dá)16起,其中事故原因判斷為“充電自燃”就有9起,其他事故原因包括電池故障、電器元件短路、停放中自燃等等。新能源汽車進(jìn)入發(fā)展高速期,技術(shù)突破和安全性上的挑戰(zhàn)隨之而來(lái)。
 
       新能源汽車主是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來(lái)源的汽車,目前市面上最常見(jiàn)的是純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車。與普通汽車需要內(nèi)燃機(jī)一樣,電動(dòng)汽車需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁┣斑M(jìn)的能量,目前動(dòng)力電池中最主要的類型是鋰離子蓄電池。
 
       “遵循科學(xué)規(guī)律,不要盲目”、“先把安全可靠的技術(shù)發(fā)展起來(lái)”,在10月17日至18日 北京舉行的“中國(guó)宜春·2018全球鋰電產(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇”上,來(lái)自學(xué)界業(yè)界的人士,紛紛就鋰電池發(fā)展安全性的問(wèn)題,如是呼吁。
 
         鋰離子電池(Li-ion Battery)由鋰電池(Lithium Battery)發(fā)展而來(lái)。鋰電池在人們的生活中由來(lái)已久,比如紐扣電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯,負(fù)極是金屬鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不再充電。鋰電池一般禁止充電,因?yàn)槠涑潆姺烹娺^(guò)程中容易形成鋰枝晶,造成電池內(nèi)部短路。
 
        1992年,日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極,以含鋰化合物作正極的電池,在充放電過(guò)程中,只有鋰離子,沒(méi)有金屬鋰存在,也就是現(xiàn)在的鋰離子電池。此后,日本索尼能源開(kāi)發(fā)公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池(以下簡(jiǎn)稱“鋰電池”)。目前鋰電池已廣泛用于各類手持式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車上。
 
         對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō),性能好壞表現(xiàn)在兩個(gè)指標(biāo)上:一個(gè)是充放電倍率,代表了電池的充電速度;一個(gè)是能量密度,決定了一輛車能續(xù)航多少公里。然而,對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)的盲目追求,很大程度上犧牲的是安全系數(shù)。
 
        “快速充電技術(shù)目前還沒(méi)有出路”
 
        “這些著火的事件,至少有60%是在充電或充電剛剛結(jié)束的時(shí)候出的事,說(shuō)明充電出了大問(wèn)題。” 國(guó)家863電動(dòng)車重大專項(xiàng)動(dòng)力電池測(cè)試中心主任王子冬表示。
 
        鋰電池在充電過(guò)程中,鋰離子在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌,正極負(fù)極不發(fā)生氧化反應(yīng)。但是王子冬提出,現(xiàn)在充電的方法和使用過(guò)程充電都是用的氧化還原反應(yīng),不是鋰電池遵循自身規(guī)律應(yīng)該有的充電方法。此前王子冬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用現(xiàn)在的充電方法,大概能使電池壽命降低30%。因此在這樣的情況下,王子冬認(rèn)為不應(yīng)當(dāng)考慮用大電流充電。
 
        鋰電池的充放電倍率是指單位額定容量?jī)?nèi)的充放電電流,例如額定容量為100Ah的電池用20A充放電時(shí),其充放電倍率就為0.2C。一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間,電流越大,充電越快,但同時(shí)電池發(fā)熱現(xiàn)象也越嚴(yán)重。目前純電動(dòng)汽車的充電容量都是慢充化的,基本在0.3C到0.5C之間。另一方面,用過(guò)大的電流充電會(huì)造成容量不夠滿,這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。和倒啤酒的一樣,倒太快會(huì)產(chǎn)生泡沫,反而倒不滿。
 
       北京大學(xué)新能源材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任其魯介紹,今天的多元正極金屬?gòu)?fù)合氧化物電池要實(shí)現(xiàn)8分鐘充電,理論上大概要用10C的倍率才能做到,“這個(gè)能量不可想象”。
 
       這些技術(shù)瓶頸實(shí)際上并不是新問(wèn)題,其魯是中國(guó)鋰電池研究領(lǐng)域的先鋒人物之一,曾擔(dān)任2008年奧運(yùn)會(huì)清潔能源電動(dòng)車用動(dòng)力電池項(xiàng)目的首席科學(xué)家,早在北京奧運(yùn)會(huì)時(shí)期,他們就針對(duì)各類問(wèn)題做過(guò)各種實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)三元材料電池已經(jīng)可以在5分鐘內(nèi)完成充電。在實(shí)驗(yàn)里,三元鋰電池在快速充電的過(guò)程中,熱量不能迅速釋放,使得爆炸的可能性大大增加�?紤]到安全問(wèn)題,其魯表示這種技術(shù)不能用到純電動(dòng)車上,只能用在電池混合動(dòng)力車。
 
        此外,動(dòng)力電池的快充還面臨著一個(gè)非�,F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題——城市的電力基本設(shè)施無(wú)法滿足個(gè)需求。假設(shè)一輛公交車用的是150kWh的電池,需要5分鐘來(lái)充電,一輛公交車就需要100kW供電能力,如果同時(shí)有幾百輛上千輛公交車一起充電,會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊。
 
       “今天的城市電網(wǎng)根本做不到這一點(diǎn)。”其魯表示。
 
        目前,王子冬的團(tuán)隊(duì)正研究充電過(guò)程中根據(jù)電池特性調(diào)整充電方法,改了不同的充電方法后,普通標(biāo)準(zhǔn)充電法充500次的電池壽命,在新方法下可以做到充電1000次,有效減緩了電池的衰減。所以王子冬表示,即便有很多瓶頸,鋰電池一定會(huì)有特別適合自己的充電方法。
 
        其魯認(rèn)為,現(xiàn)階段最合適的是以車位為單位接線充電,兩三個(gè)小時(shí)、五六個(gè)小時(shí)、甚至一個(gè)晚上,這是充電技術(shù)完全可以做到。通過(guò)先把安全可靠的充電方式發(fā)展起來(lái),來(lái)推動(dòng)電動(dòng)汽車的穩(wěn)步、安全、健康發(fā)展。
 
能量密度與安全性是一對(duì)矛盾
 
        2018年2月,財(cái)政部、工信部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》,取消了對(duì)續(xù)駛里程150公里以下純電動(dòng)車的補(bǔ)貼,對(duì)續(xù)駛里程超過(guò)300公里的純電動(dòng)車補(bǔ)貼則增至3.4萬(wàn)元,超過(guò)400公里的車型補(bǔ)貼增至5萬(wàn)元。
 
        美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校中國(guó)交通能源中心主任王云石分析,這意味著純電動(dòng)車在達(dá)到與汽油車類似的續(xù)駛里程后,續(xù)駛里程越長(zhǎng)越好。新政策可能希望通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度的要求,來(lái)推進(jìn)動(dòng)力電池的發(fā)展。
 
        鋰電池的能量密度(Wh/kg)是指單位重量的電池能儲(chǔ)存的能量多少,主要由電池的材料特性決定。按普通鉛酸電池的能量密度約為40Wh/kg計(jì)算,如果使用鉛酸電池驅(qū)動(dòng)家用汽車行駛200公里以上,則需要將近1噸的電池。因此把電池重量控制在一定范圍的前提下,電池的能量密度越大,汽車的續(xù)航里程就越長(zhǎng)。
 
         能量密度數(shù)值理應(yīng)是越高越好,但電池是能量高度集中的小型裝置,當(dāng)更小體積里聚集更多能量時(shí),如果使用不當(dāng),比如溫度升高或突然遇到劇烈碰撞,其產(chǎn)生的后果甚至可以和炸彈相提并論。
 
        根據(jù)新能源研究院真鋰研究發(fā)布的最新數(shù)據(jù),2018年6月份之后,120Wh/kg的電池包的裝機(jī)量占比達(dá)到了約95%,而一年前的6月該比重僅為7.3%。也就是說(shuō)國(guó)內(nèi)電池系統(tǒng)能量密度的進(jìn)步數(shù)以“驚人的速度”遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了海外。
 
2017-2018.8中國(guó)電動(dòng)汽車乘用車產(chǎn)量中不同能量密度電池包的裝機(jī)占比  來(lái)源:真鋰研究
 
          盡管在高能量密度電池包的裝機(jī)數(shù)量有了極大提升,但如何平衡能量密度與安全性的問(wèn)題尚未得到解決。
 
          “在今天,能量密度毫無(wú)疑問(wèn)和電池安全性成反比,我們還沒(méi)有解決好這個(gè)問(wèn)題。” 其魯表示。
 
         目前中國(guó)國(guó)內(nèi)量產(chǎn)的鋰電池,理論電芯能量密度在300到400Wh。在這個(gè)上限尚無(wú)突破辦法的情況下,可以通過(guò)減磨隔膜的方式,擴(kuò)大材料空間,從而提高能量密度。隔膜的作用是使電池的正、負(fù)極分隔開(kāi)來(lái),防止兩極接觸而短路,并讓電解質(zhì)離子通過(guò)。
 
        “這是最簡(jiǎn)單,也是最危險(xiǎn)的辦法。”王子冬表示。
 
        王子冬介紹,此前他的研究團(tuán)隊(duì)了解過(guò)三星Note7的著火事件,檢查發(fā)現(xiàn)三星Note7的電池使用的隔膜約在45微米到46微米左右厚,在使用同質(zhì)材料的情況下,有些動(dòng)力電池制造廠商甚至在考慮用10微米、8微米厚的隔膜,在他看來(lái)這樣的想法“很膽大”。
 
       由于電池制造過(guò)程當(dāng)中避免不了掉顆粒的現(xiàn)象,實(shí)際隔膜都會(huì)帶些細(xì)微的“工傷”,在材料沒(méi)有突破的前提下,超薄的隔膜、可燃的電解液、加上暗流涌動(dòng)的枝晶,若在這一環(huán)節(jié)鋌而走險(xiǎn)便會(huì)埋下爆炸隱患。
 
       “在沒(méi)有掌握住鋰電池的著火規(guī)律前,把控能量密度、安全性和壽命的平衡關(guān)系,是我們不能忽視的問(wèn)題。”王子冬說(shuō)。
 
        實(shí)際上,能量密度與安全性這一“魚(yú)與熊掌”的問(wèn)題,不僅困擾著中國(guó)的鋰電池技術(shù)發(fā)展,同樣也困擾著業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的韓國(guó)和日本。來(lái)自德意志證券韓國(guó)公司的分析師Seunghoon Han表示,目前沒(méi)有哪家公司敢說(shuō)其技術(shù)路線是完全確定的,但每個(gè)公司都認(rèn)為他們的電池是最安全的。鑒于其他很多行業(yè)都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,引導(dǎo)解決了很多安全問(wèn)題,如今鋰電池行業(yè)發(fā)展面臨的這些安全問(wèn)題,或許也可以需要標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)解決。而這些發(fā)展瓶頸期的問(wèn)題,并不影響快充技術(shù)和提高能量密度依然是未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向。
 
       “只有將安全指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化之后,技術(shù)發(fā)展才會(huì)更容易確定哪些是更安全的,哪些是不安全的。”Han表示。
 
       另一方面,高能量密度意味著需要高密度的材料,高密度的材料將會(huì)決定儲(chǔ)存電能的大小。當(dāng)一種材料能做到的厚度達(dá)到安全極限卻還低于人們期望的時(shí)候,很多人將目光轉(zhuǎn)向?qū)で笮碌牟牧�。王子冬認(rèn)為,如果沒(méi)有材料上突破,突破高能量密度這一問(wèn)題,將會(huì)在瓶頸期會(huì)停滯很長(zhǎng)的時(shí)間,10年或50年都有可能。
 
      而對(duì)于最近很火的石墨烯、納米材料等,其魯卻并不看好。他表示,包括此前使用的硫酸亞鐵鋰在內(nèi),這些材料實(shí)際上都是低密度材料,而三元材料多元材料等密度則高很多,未來(lái)甚至還能將密度做得更高。
 
      “從材料角度看,石墨烯導(dǎo)電性能好,但由材料推導(dǎo)到電池再推導(dǎo)到電動(dòng)車上,概念能一樣嗎?”其魯說(shuō),“納米材料在這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中不會(huì)有什么具體應(yīng)用。”
 
       不管是快充還是高能量密度,其魯認(rèn)為一定要戒驕戒躁、保持警惕,尤其對(duì)類似固態(tài)鋰電池這類能保證能量密度、使用又安全的技術(shù),在沒(méi)有很好電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料出現(xiàn)之前,對(duì)這類電池的產(chǎn)業(yè)化不應(yīng)抱有太多期望。
 
       “我們還是要全力以赴發(fā)展出我們可行的技術(shù),我認(rèn)為最重要的是我們‘明天的技術(shù)’。”其魯表示。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋰電池;電動(dòng)汽車
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