钜大LARGE | 点击量：951次 | 2021年04月09日
浅谈电动汽车动力锂电池的发展趋势与安全管理
电动汽车动力锂电池发展趋势与安全管理
2015年1～八月份，我国新能源汽车已经达到12.35万辆，尤其是纯电动汽车上升得非常快。我们不能光看这个产业的规模，产业发展持续的动力还是技术，假如说纯电动汽车的技术，我想核心就是电池技术，所以我今天想介绍一下电池技术相关的内容。
我国电动汽车电池技术的产业基础，应该说总体上还是不错的，我们从十五科技部电动汽车重点专项起步开始推动我国电动汽车动力锂电池的研发，当时重要是镍氢电池和锰酸锂离子电池；到十一五的时候，重要是磷酸铁锂离子电池，应该说磷酸铁锂离子电池的发展支撑了我国十二五电动汽车的发展；到十二五，我们重点的研发转向了三元锂离子电池，估计2015年我们三元锂离子电池的比能量会达到180Wh/kg，现在我国正在启动十三五。十三五将会在此基础上进一步升级，估计在今后5～10年锂离子电池将会达到它的技术极限，预计到2020年会超过200Wh/kg，比现在估计要提高一倍。
跟国际相比，我国电池领域也存在很多问题，包括我们先进材料和机理方面的研究比较差，电池结构设计的技术还不太先进。另外制造的自动化程度比较低，精工艺的开发能力比较弱，还有一个电池系统涉及技术比较落后。因为以前大家都觉得电池系统没什么技术，就是把单体给组合起来就完了，现在才开始了解，电池系统也是很复杂的技术。由于这些问题，我们高端材料供给还不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性及产品性能还不能完全满足市场的要求，公司创新能力总体还不强，优势产量不足，而且面对韩国等国外电池公司的挑战，这是当前我国电池面对的一些问题。
从全球看，电池技术尤其是锂离子电池技术还在不断进步，预计在今后5～10年，也就是到2025年，锂离子电池将会竭尽它的性能极限，到达大约350～400Wh/kg左右。我们下面会做研究来探讨这个极限究竟是多少，至少我们现在认为到达300～350Wh/kg应该是没有问题的，这是单体。真正到系统，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以达到200Wh/kg左右，应该说比现在的大约提高一倍。这是美国能源部对锂离子电池发展现状和趋势的一个判断，我们也基本是认同这个判断的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
当然，为了达到这个系统，单体材料层面当然就要达到80Wh/kg左右。日本应该说也是有类似的看法，在2020年，达到300Wh/kg，这是他们的一个基本判断。这种电池将会采用硅碳复合的负极，高电压的电解质，以及富锂的固溶体或者高镍的三元材料，这个材料体系目前应该说从基础层面基本上是清楚的，关键是如何把它开发出来，也就是说我们现在其实300Wh/kg也可以做到，但是寿命非常短，尤其负极的硅这种材料充电的时候膨胀比非常大，容易迅速衰减，所以提高寿命，如何来解决硅负极的相关问题，这是目前技术攻关的一个重点。
根据国外的趋势，我国2020年的一个基本的发展目标，高比能量电池目标也是要达到300Wh/kg，寿命1500次，成本0.8元，系统比能量大约210Wh/kg，这是按照单体的70%，比现在约提高一倍。假如用这样的电池，我们用相同重量也就是200kg的电池的话，我国现在的性价比比较好的电动汽车续驶里程可以到300km以上。现在的纯电动汽车的成本，重要新增的是电池，假如能把电动机这些驱动系统跟传统的内燃机相比的话，大约还可以节省出5000～1万元钱用于电池，其余多的钱就是新增的。按照我们购置和使用综合考虑的话，在2020年之后，小型电动汽车比如说城市代步用的200～250km左右，应该可以跟燃油车竞争。这是我们电池的技术路线图。
在迈向高比能量锂离子电池的过程中，大家可以看到我们电池的成本下来了，比能量提高了，续驶里程上升了，我们电动汽车可以竞争了，但是这中间有一个重要的问题是，在这个过程中，安全性将会变得更加突出。能量密度在持续上升，但是我们的安全性并没有大的变化，安全性面对的挑战，越往高比能量走挑战越大。所以安全性要受到进一步的高度重视，也就是说我们性能提高了，但是耐久性和安全性的问题将更加突出，这是我们面对的三个问题。安全性、耐久性和动力性，最核心的是安全性问题。
动力锂电池的安全性
安全性的问题概括起来叫动力锂电池热失控，也就是电池受热到一定温度之后，它就不可控了，温度直线上升，超过500℃、1000℃，然后就会燃烧爆炸。为何会有这个问题，首先过热会引起这个问题，温度上来，它会触发电池里的副反应，随着温度的升高，我们电池里会出现一系列的副反应，这些副反应都会放热，导致热的失控。另外一种原因，电触发的，比方外部短路、内部短路、过充，这些都会导致产热，然后出现热失控。还有一个原因就是碰撞，比方说车辆的碰撞、挤压。挤压之后就像一个针刺了电池相同，然后短路，发生电的触发，产热，然后热再引起热失控。随着温度的升高，会触发不同的副反应，比如说石墨负极与电解液的反应、电解质的分解、大规模的内短路等，导致最后电解液燃烧，最后热失控，放热速率会非常快。一个热失控之后会导致它在一个电池里面的传播，它会在整个电池组里面迅速扩散。
过热的原因和解决办法，包括电池的选型和热设计的不合理，或者外短路导致电池的温度升高，或者是电缆的接头松动等，解决办法有两个方面，一个是电池的设计，一个是电池的管理。比如说我们可以开发防止热失控的材料，阻断热失控的反应。另外，电池管理的角度，我们可以通过预测不同的温度范围，来含义不同的安全等级。比如说在不同的阶段，我们可以算出它的温度是多少，来判断含义不同的安全等级，进行分级报警。第二个问题，有关过充电触发的热失控，比如说前一阶段出现的电动巴士的燃烧就是这个原因，最后发现是电池管理系统本身对过充电的电池管理系统的电路没有功能安全，导致电池的BMS已经失控后还在充电导致的。
随着电池的老化，各个电池之间的一致性会越来越差，当然过充就更容易发生了，还有一个问题，就是电池组的容量比单体的容量下降的更快。所以我们必须了解这个过程，在此基础上，我们要进行整个电池组的均衡，来保持电池组的一致性，这就是一个均衡的原理。大家可以看出对一个串联的电池组，我们现在重要是先并后串，这是最常见的电池组组合方法。我们可以看出，最后可以得到电池组容量就是那个最小容量的单体，这是我们可以达到的最大的电池组容量，也就是说一个串联电池组容量，它实际上最好的情况就是跟最小容量的单体相同大的容量。有了这个一致性之后，我们容量也回升了，同时过充这种情况也会防止。为了实现这个一致性，我们就必须对各个单体进行容量估计，也就要有一种方法来进行容量估计，这就是根据充电曲线的相似性来进行全体电池组的状态的估计，也既是说只要了解了其中一只单体的电池的曲线，其他的曲线应该跟它是相似的，经过曲线变化，他们可以近似重合，曲线变化的过程中间的这些差异就很容易算了，也就是说根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法我们就可以进行刚才的一致性的均衡，当然这种算法的时间过长，所以要进行简化。
关于内短路触发的热失控，比方说波音的787事件，最后找到的原因，电极和隔膜上有金属物，有了内短路，无法100%确认这个热失控是内短路触发的，但是它是最可能的原因，因为找不到其他原因，而且内短路没办法浮现。内短路是什么原因，有三种，一种是电池制造杂质，金属颗粒，另外是充放电膨胀的收缩。内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且你不了解它什么时候会出现热失控。而且这个试验也是无法重复的，现在我们还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程。
目前全世界都在研究这个问题。要解决这个问题，第一个方面是电池的选择和电池单体容量的选择，当然你要找到好的电池厂商，它的品质要好；第二是内短路的安全预测，我们在没有发生热失控之前，要找到有内短路的单体。我们必须要找到它的特点参数，先从一致性着手，电池是不一致的，内阻也是不一致的，我们只要找到中间有变异的单体，我们就可以把它辨别出来。怎么辨别，有一个办法，这就是正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路，我们把它的方程写出来的话，方程的形式实际上是相同的，正常单体、微短路的单体，只不过这里头的参数发生了变化，所以我们可以对这些参数来进行研究，它在内短路变化中的一些特点。比方说内短路单体的电势差，它的内阻跟其他单体的差异，这些都会有特点。我们根据这些特点，把这些特点辨识出来，再利用模型来进行单体的辨识，因为我们可以测到每个单体的电压，每个单体的电流，利用这些数据再结合模型，我们就可以把每个单体的内阻估出来，把它的这些参数全部估出来。根据这些参数的变化，我们来判断它的一致性是否发生了显著性变化。第三种触发是机械触发，比方说碰撞，特斯拉就是这样的，特斯拉在美国撞过好多辆车，我们清华大学跟MIT共同合作对特斯拉在美国的碰撞事故进行过分析。假如我们在实验室进行碰撞的仿真，最接近的就是针刺，用针里来刺这个电池。我们假如做其他的，比如说磷酸铁锂离子电池，显然在这个过程中它就没有三元电池那么厉害，大家可以看电池极的温度，基本上最高温度在120℃，可以看出不同的材料在针刺的时候反应不相同的，磷酸铁锂相对安全。所以到现在为止，仍然坚持在大客车中间重要使用磷酸铁锂离子电池，暂时还不宜大规模使用三元电池，尤其对大客车。再比如碳酸锂离子电池，它也问题不大，不同的电池类型表现情况是不相同的。
为了研究针刺，我们会做一些三维的仿真模型，我们也可以做碰撞，怎么撞的，撞了之后怎么变形的，这些我们也做过很多研究。在此基础上来进行安全性的设计，比方这个碰撞要解决的办法就是电池的安全保护设计，这个是很有讲究的。热失控发生之后，它会往下传播，因为第一节热失控之后它会有传热，然后开始传播，比如说有一个热失控了，然后整组会像放鞭炮似的一个一个接下来。传播我们可以建立一个模型来考察中间温度升高率，化学能电能的产热，还有传热对流等。整个热电耦合的模型，我们可以用量热仪来做一个相关的定量的分析。有了传播模型我们就可以设计如何来阻断和抑制，这就是要加隔热层。但是加隔热层也不是个简单的问题，加厚了体积大，而且隔热层跟冷却又是矛盾的，所以这些都是要解决的问题。总之在热失控扩展和抑制方面，要从安全保护设计和电池管理两个方面来着手。
