電動汽車電池安全性研究新動態(tài)

本刊 劉春娜

在我國今年通過的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》和《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》中，都確立了純電動汽車是未來汽車工業(yè)的主要戰(zhàn)略發(fā)展方向，并明確了未來5～10年的發(fā)展目標。在政策的大力支持下，純電動汽車未來5～10年將迎來一輪發(fā)展狂潮。

目前電動車動力電池主要有4種：鉛酸電池、氫鎳電池、鎘鎳電池和鋰動力電池。前3種電池由于電池壽命短，未來將會逐漸退出歷史舞臺。鋰動力電池雖然性能優(yōu)勢明顯，但是因為所用電極材料體系不同，致使其性能又有著千差萬別。其中，磷酸鐵鋰電池具有無可比擬的優(yōu)越性，其作為動力型電源，必將成為鉛酸、氫鎳及錳、鈷等系列電池最有前景的替代品。國內(nèi)外車企都看到了磷酸鐵鋰電池的應用潛力，紛紛將磷酸鐵鋰電池應用于電動車中。

但是，相對于傳統(tǒng)燃料汽車，電動汽車最危險的部分就是電池組，而目前來看，電池組的特點是易燃易爆，這就使得電動汽車的安全性大打折扣。即使是目前使用在電動汽車上最成熟的鋰離子電池，理論上講，也無法做到完全杜絕燃燒。電池組易燃易爆的特性使得電動汽車較為“脆弱”。近來頻發(fā)的鋰電動車充電爆炸起火事件，為以鋰電池為主要動力源的純電動汽車發(fā)展蒙上了陰影。國內(nèi)外電動汽車在碰撞測試中出現(xiàn)燃燒乃至爆炸的案例也屢見不鮮：美國一輛電動汽車，在發(fā)生碰撞3周之后，停在車庫發(fā)生了自燃。調(diào)查后認為，其原因有可能是碰撞造成電解液發(fā)生輕微滲漏，而當后來滲漏聚集到一定程度時，發(fā)生了燃燒。因此，人們在大力發(fā)展純電動汽車的過程中，永遠不能忽視電池等環(huán)節(jié)存在的安全隱患。

為解決電動汽車安全性這一關鍵問題，一些新方法和新技術已經(jīng)出現(xiàn)在人們關注的目光中。

1 隔膜技術——提高熱穩(wěn)定性是增強電池安全性的關鍵

近期發(fā)生的一系列鋰電池電動車著火事故表明，安全問題已在威脅著電動車鋰電池的實用化進程，而隔膜與電池安全有著重要關系。進一步提高隔膜熱穩(wěn)定性是隔膜技術的發(fā)展方向，已有許多相應的技術途徑，如采用隔膜表面的耐熱或阻熱涂層、應用新型隔膜材料等，目前國內(nèi)隔膜的研發(fā)單位和企業(yè)正朝著這個方向努力。例如深圳比克電池有限公司通過在凝膠聚合物電池隔膜上涂覆聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDFHFP)，使其具有更高的高溫存儲性能和安全性能；佛山市金輝高科光電材料有限公司則在隔膜表面涂覆耐熱材料；也有企業(yè)嘗試通過涂覆陶瓷材料等提高隔膜的耐高溫性能，這些創(chuàng)新技術都顯示出了很好的應用前景。另據(jù)了解，中科院理化所在完成了靜電紡絲法制備納米纖維鋰離子電池隔膜的研究后，目前正在試制高性能隔膜樣品。

專家認為，未來市場對鋰電安全性的要求將更高，尤其對鋰電安全性意義重大的耐高溫高品質(zhì)隔膜將更受關注。

在鋰電池的結(jié)構(gòu)中，隔膜是關鍵的內(nèi)層組件之一，其采用塑料膜制成，可隔離電池正負極，以防止出現(xiàn)短路。但傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜用于鋰動力電池時在絕緣性、機械強度、耐熱性等方面存在缺陷。研究人員表示，傳統(tǒng)多層隔膜的高溫收縮率大、膜的強度低、安全性能差。未來鋰動力電池隔膜的主要研究方向之一就是新型隔膜，包括PET無紡布隔膜、聚酰亞胺（PI） 納米纖維隔膜、聚酰胺（PA）隔膜，其優(yōu)點是耐溫高，具有低溫輸出、充電循環(huán)壽命長、機械強度適中的特點。在這方面，國外的經(jīng)驗是使用碳纖維等高強度復合材料對電池組加以包裹保護。但是此種做法成本太高，難以在量產(chǎn)民用車型上大規(guī)模推廣使用。

日本東麗公司開發(fā)出了具有全球最高水平耐熱性和高阻燃性的薄膜，主要是用于分隔鋰電池的正負極以確保絕緣性的隔膜。該產(chǎn)品應用了東麗的獨特技術、在全球唯一實現(xiàn)了投產(chǎn)的高耐熱聚合物技術。今后將投入生產(chǎn)在電動汽車（EV）、混合動力車（HV）的大型及大容量鋰電池上使用的產(chǎn)品。東麗公司以薄膜領域唯一投產(chǎn)的高耐熱聚合物技術為基礎，運用高分子設計及混合技術，開發(fā)出了即使在200℃的高溫下，形狀、尺寸及孔結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生改變的多孔薄膜。這種微小的細孔成均勻的網(wǎng)眼狀結(jié)構(gòu)，即使在高溫下也不會發(fā)生變化，因此可確保耐熱性和阻燃性，可防止因隔膜變形及收縮而引起的短路，從而確保安全性。

2 負極材料——把握鋰離子動力電池安全性命脈

鋰離子電池中另一個至關重要的材料就是負極材料，它關系著整個電池的安全性能，目前報道的關于鋰離子車用動力電池出現(xiàn)自燃以及爆炸的情況可能都與該材料相聯(lián)系。由于現(xiàn)有的商品化的鋰離子電池負極材料大多都是石墨等嵌鋰負極材料，而這種材料很有可能在充放電過程中在碳負極表面析出金屬鋰，從而與電解液反應產(chǎn)生可燃性氣體混合物，這些會給電池特別是運用于電動車上的動力電池產(chǎn)生安全隱患。

在目前具有商業(yè)化應用前景的負極材料中，除了石墨負極材料外，鈦酸鋰最有潛力成為下一代的鋰離子電池負極材料。鈦酸鋰最大的特點為“零應變性”。在充放電循環(huán)中，這種特性能夠使鈦酸鋰嵌入和脫出鋰離子時晶格常數(shù)和體積變化都很小，從而能夠有效避免鋰金屬枝晶的析出，給汽車中的動力電池提供了安全保障。這種負極材料被認為是時下最安全的負極材料。

在鋰離子電池負極材料中，除石墨化中間相碳微球(MCMB)、無定形碳、硅或錫類占據(jù)小部分市場份額外，2011年的負極材料市場統(tǒng)計顯示：負極材料的全球總產(chǎn)量應用達到32000噸，相比去年同期增長28%，其中天然石墨和人造石墨負極材料兩者占據(jù)了89%的市場份額。

近期，日本產(chǎn)業(yè)革新機構(gòu)將與KUREHA、KURARAY、伊藤忠商事共同出資200億日元，生產(chǎn)新型電動和混合動力汽車用鋰電池的主要負極材料。其中，產(chǎn)業(yè)革新機構(gòu)出資100億日元，占50%股份。KUREHA等公司已開發(fā)出將植物材料加工成炭用作負極材料的技術。據(jù)稱除了可以將插電式混合動力車等環(huán)保車的充電時間縮短一半以外，電池耐用性也可以提高3成。首先，將從2014年開始在日本國內(nèi)進行量產(chǎn)，之后在北美和我國等地建廠生產(chǎn)。預計使用新技術生產(chǎn)的電池將裝配在日產(chǎn)和本田的電動車及混合動力車上。除了將生產(chǎn)新型負極材料外，他們還將廣泛呼吁在鋰電池其他主要材料方面擁有全球較高市場份額的日本材料廠商加盟。其基本構(gòu)想是要在2017年之前實現(xiàn)各日企匯總技術共同開發(fā)基礎部件的目標，目前已與部分廠商展開協(xié)商。

3 利用電容器防止純電動汽車發(fā)生起火事故

除了鋰離子電池外，業(yè)界現(xiàn)在對大容量電容器的期待也日益高漲。在電容器中，開發(fā)歷史較長的是雙電層電容器(EDLC)。大容量EDLC受到關注的主要原因在于最近幾年頻繁發(fā)生的各種充電電池起火事故。這些火災事故雖然少不了鋰離子充電電池的設計和制造失誤的原因，但BMS(電池管理系統(tǒng))與確保安全性的關系也相當重大。

通過在控制鋰離子充電電池的BMS上組合使用EDLC，可降低電池起火的危險性。純電動汽車(EV)和混合動力車(HEV)等是需要大電流的，如果單以鋰離子充電電池來應對如此急劇的負荷變動，則由于電池的輸出變動大，會導致電池容量減小，或充放電循環(huán)特性劣化。而采用EDLC可以吸收急劇的負荷變動，能夠抑制鋰離子充電電池的劣化。由此，可以防止鋰離子充電電池起火。

在面向汽車的用途中，在支持快速充電和無線供電的情況下，正好可發(fā)揮電容器比鋰離子充電電池充放電速度快、充放電循環(huán)壽命長的特性。

volvo電動汽車接受嚴格的安全測試

技術方面，EDLC在幾個領域有了改進，具體為：(1)高耐壓、低電阻化技術；(2)低露點干燥室/艙技術；(3)高速注液技術；(4)自動復位型安全閥等。例如，在低電阻化技術方面，日本電容器企業(yè)的咨詢專家提出了電極構(gòu)造改良方案，具體就是在集電體電極上的導電層和活性物質(zhì)層之間設置相互擴散層。由此，與原構(gòu)造的EDLC相比，可將電極電阻降至1/2～1/10。

在電容器領域，在技術開發(fā)競爭日益激烈的同時，隨著性能的提高，EDLC的應用范圍今后將更廣泛。

4 開發(fā)鈉鹽電池避免發(fā)生起火爆炸

當然，也有公司另辟奇徑。美國通用電氣(GE)公司就宣布再投入7000萬美元擴建位于美國紐約的電池工廠。經(jīng)過多年研發(fā)，GE研發(fā)的Durathon鈉鹽電池技術已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。這項新業(yè)務有望在幾年后為GE帶來10億美元的年收入。為了這種新型電池，GE已經(jīng)投入重金：一個四五十人的研發(fā)團隊堅持10年投入其中，其代價相當于一個年收入在1400億美元以上的AAA級公司的資金和技術支持。

Durathon鈉鹽電池的原料是極易獲得的氯化鈉和鎳，首次充電以后在負極室形成鈉金屬，在正極室形成氯化鎳，由此不斷充放電循環(huán)使用，因此也可稱為鈉氯化鎳二次電池或鈉鎳電池。這種新型電池具有一定優(yōu)勢。例如，同鉛酸電池相比，鈉鎳電池的能量密度是其兩倍以上，壽命為10倍左右。如考慮使用壽命，則鈉鎳電池的成本有望和鉛酸電池競爭，全生命周期的經(jīng)濟性則更強。而同鋰電池相比，鈉鹽電池不存在發(fā)生起火爆炸的危險。

和日本NGK公司已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的鈉硫電池一樣，鈉鎳電池也是一種高溫電池，運行溫度在300℃左右。鈉硫電池制造生產(chǎn)時需要在負極室直接填充鈉金屬，高溫下易燃。但據(jù)介紹，鈉鎳電池在制造時不存在鈉金屬，相對更為安全。而且，氯化鎳本身可作為非常好的滅火材料，一旦電池內(nèi)部短路能將金屬鈉轉(zhuǎn)化為氯化鈉。

電池生產(chǎn)成為電動汽車安全的關鍵

目前，作為一種高能量密度電池，用于儲能和備用電源的Durathon電池已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。GE運輸集團下一步將拓展在軌道交通、礦用車輛和船舶領域的混合動力方面的應用。實際上，GE看中鈉鎳電池的初衷就是用于機車供能。由于北美市場上柴油機車較為普遍，但目前還沒有一項電池技術能滿足其電氣化的需求。因此，2001年前后，GE評估了各種電池，最后選中了鈉鹽電池，至今已開展了10年的研發(fā)工作。

在已有多年研發(fā)積累的基礎上，作為重點方向，GE在研發(fā)電池的同時，也設計了高效的電池制造流程和市場開發(fā)戰(zhàn)略。這其中，重要的一步是在2007年并購了英國研發(fā)公司——Beta R&D。由于該公司積累了大量的電池中試生產(chǎn)經(jīng)驗，此次并購也減輕了GE科學家將產(chǎn)品從實驗室推向生產(chǎn)線的壓力，加速了產(chǎn)業(yè)化進程。

2010年，鈉鹽電池項目獲得GE年度大獎——Whitney技術成就獎，代表著這項技術是GE全球研發(fā)中心眾多項目中最有前景的方向之一。參與到Durathon鈉鹽電池技術開發(fā)的GE研發(fā)中心的科學家們，利用自身電化學方面的優(yōu)勢，通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設計、改進核心部件以及優(yōu)化電化學反應機制，提供了很多原創(chuàng)性新技術，有效提高了電池的功率密度和安全性能。同時，他們還攻克了很多技術難關，如電池失效機理的分析和預防、電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計，以及批量生產(chǎn)的流程優(yōu)化等等。

目前，尼日利亞已經(jīng)向GE采購了6000塊Durathon電池，明年將用于手機信號發(fā)射塔。另外，美國的風電場和配電網(wǎng)也向GE發(fā)來訂單。GE期望將運用范圍從電信擴展到新領域，如新一代高能效汽車、火車機車和礦用車輛等。

專家認為，車用電池現(xiàn)在以鋰電池為主，但存在能量密度低、成本高、安全性差等問題，而且鋰電池在室外低溫條件下很難充電。鉛酸、氫鎳、鎘鎳電池等也都存在各自的缺陷。鈉鹽電池如能夠提高功率，則可彌補上述缺點，成為移動終端的理想電源。

目前第一代Durathon電池相對薄弱的環(huán)節(jié)是功率密度，現(xiàn)在的開發(fā)重點就是高功率鈉鹽電池。從技術儲備和成熟度來看，它正在一步步向生產(chǎn)靠近。GE的商業(yè)體系不僅限于電池開發(fā)，還包括整個系統(tǒng)的解決方案以及從電池衍化出來的其他技術，如電池管理系統(tǒng)、電力電子技術、電池封裝技術等。這種新電池成分雖簡單，但從設計和科學的角度來看，非常先進。據(jù)悉，鈉鎳電池技術包含了30項專利。