太惹“火”!病咋治?

李爾欣

天生就有可能是“炸彈”

事實(shí)上，動(dòng)力電池的安全隱患從一開始就已經(jīng)埋下。和需要額外注入燃料或可燃性氣體才有可能運(yùn)作的內(nèi)燃機(jī)不同，動(dòng)力電池本身就自帶氧化劑和還原劑，一旦保護(hù)措施失效或者電芯材料發(fā)生異變，就會(huì)出現(xiàn)“熱失控”現(xiàn)象：電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)釋放的熱能失去控制，不僅失火自燃，更會(huì)點(diǎn)燃相鄰的電池，并引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，進(jìn)而引燃整個(gè)電池系統(tǒng)，最終導(dǎo)致車輛焚毀——這便是現(xiàn)役動(dòng)力電池最大的安全隱患！而對(duì)于搭載能量密度高、儲(chǔ)存電量大的三元鋰電池的新能源汽車來(lái)說(shuō)，更需要周密的防護(hù)措施以免發(fā)生熱失控。

而保障動(dòng)力電池安全的關(guān)鍵，則在于電芯、封裝和電池管理系統(tǒng)這三者。以電芯為例，里頭的正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液都有可能引發(fā)熱失控。比如正、負(fù)極之間的隔膜一旦受熱熔化，或者在外力的作用下被刺穿或破裂，就會(huì)造成大面積的短路，以至于熱量迅速在電芯內(nèi)部聚集。同樣，電解液如果受熱超過(guò)一定溫度，也會(huì)加速分解燃燒，而使得電芯內(nèi)的溫度攀升。至于決定電芯能量密度的正、負(fù)極材料，則因?yàn)楦鞣N材料之間化學(xué)性質(zhì)的差異而存在著不同的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

具體來(lái)講，由于目前主流三元鋰電池多以石墨充當(dāng)電芯的負(fù)極材料，因此電芯的能量密度主要由正極材料決定，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，正極材料的含鎳量越高，則電芯的能量密度就越大，但熱穩(wěn)定性卻越差。例如，正極材料同為NCM鎳鈷錳酸鋰的電芯，其中含鎳量較高的NCM811型的熱穩(wěn)定性，就不如鎳含量較少的NCM622型和NCM111型。

在此先讀懂幾個(gè)溫度數(shù)據(jù)：

1.大多數(shù)應(yīng)用石墨負(fù)極材料的鋰電池在放電時(shí)的安全溫度為：-20～55℃，而充電時(shí)則為0～45℃。

2.NCA型和NCM型這兩種鋰電池的工作電壓一般為2.5～4.2V左右，電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致正極材料失去活性，并釋放巨大的熱量。電壓若高于4.5V，普通電解質(zhì)會(huì)直接分解。

3.一般來(lái)講，電芯溫度達(dá)90～120 ℃，SEI隔膜開始放熱分解;130℃，隔膜開始熔化;160℃以上，NCA正極材料開始分解;200℃左右，電解質(zhì)開始分解，并產(chǎn)生可燃性氣體;超過(guò)210℃，NCM正極材料開始分解;300℃，NCM型鋰電池和NCA型鋰電池基本已陷入熱失控。

動(dòng)力電池不同封裝形式性能對(duì)比

NCA鋰電池與NCM鋰電池特性對(duì)比

BMS的重要性

不過(guò)，裸奔的電芯只是一坨化合物，顯然不便于直接拿來(lái)驅(qū)動(dòng)新能源汽車，通常得先把它封裝成電池，然后才能正式使用。目前常見的電池封裝形式有圓柱、軟包和方殼三種，不同的封裝形式可容納的電芯容量以及對(duì)電芯的防護(hù)能力各不相同。不僅如此，即便是相同的封裝形式，里面的電芯也會(huì)有卷繞、層疊等多種布置方式，而不同的布置方式又會(huì)影響到電池的性能。但是，不同的封裝形式之間，本身并無(wú)絕對(duì)的優(yōu)劣之分，實(shí)際采用哪種封裝形式更多得看廠商的需求。

國(guó)內(nèi)外BMS廠商技術(shù)對(duì)比

真正影響電池安全性的，是電池系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)！

理想狀況下，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅可以防震、防塵、防火、防水，內(nèi)部更有設(shè)計(jì)合理的散熱通道，并在電池之間設(shè)有隔熱阻斷。此外還會(huì)有先進(jìn)的BMS電池管理系統(tǒng)對(duì)電池包進(jìn)行熱管理，使其維持均衡的熱狀態(tài)，以便降低發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。而說(shuō)到BMS電池管理系統(tǒng)，這其實(shí)是整個(gè)電池系統(tǒng)的大腦，時(shí)刻監(jiān)控著電池系統(tǒng)的電壓、電量、溫度等關(guān)鍵指標(biāo)，并調(diào)控整個(gè)電池系統(tǒng)的充、放電狀態(tài)。例如，在充電過(guò)程中，由于每個(gè)電池的荷電狀態(tài)并不一致，假如沒有BMS的監(jiān)控與調(diào)整，就會(huì)有部分電池率先被充滿，并進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)，若長(zhǎng)期如此，電池內(nèi)的電芯就會(huì)出現(xiàn)不可逆的損傷，從而變得更易發(fā)生熱失控。相反，要是有BMS進(jìn)行調(diào)控，就能分別控制每個(gè)電池的充電速度，確保所有電池可以同時(shí)充滿。

另外，當(dāng)部分電池模組溫度過(guò)高時(shí)，調(diào)用電池系統(tǒng)的冷卻回路乃至整車的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行降溫，并警告車內(nèi)乘員，也是BMS的工作之一。簡(jiǎn)而言之，狀態(tài)正常的BMS是預(yù)防動(dòng)力電池出現(xiàn)熱失控的最后屏障，必不可少！

NCMA鋰電池是啥？

2016年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的幾位學(xué)者，在合成具有梯度濃度分布的NCM鎳鈷錳酸鋰正極材料之后，向其中加入0.75mol% 的鋁元素，得到NCMA正極材料。然后，再用此材料做成鋰電池，從而得到NCMA鋰電池。與摻入鋁元素之前相比，NCMA鋰電池不僅將熱分解溫度從原來(lái)的278℃提高到290℃，并在電量100%充放循環(huán)3000次后仍能保持84%的初始容量。簡(jiǎn)單來(lái)講，相比目前常見的NCM鋰電池，NCMA鋰電池?fù)碛懈玫臒岱€(wěn)定性以及更長(zhǎng)循環(huán)壽命。

不過(guò)很可惜，此類電池目前尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

遠(yuǎn)景AESC動(dòng)力電池的安全策略

日產(chǎn)汽車原來(lái)的電池部門Automotive Energy Supply Corporation被中國(guó)遠(yuǎn)景集團(tuán)收購(gòu)后，改稱遠(yuǎn)景AESC，但完全保留原先日產(chǎn)動(dòng)力電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在4月份的上海車展上，遠(yuǎn)景AESC發(fā)布新一代Gen5-811AIoT動(dòng)力電池系列產(chǎn)品。根據(jù)遠(yuǎn)景AESC的資料，該系列為應(yīng)用AIoT智能物聯(lián)技術(shù)的NCM811型鋰電池。

盡管Gen5-811 AIoT動(dòng)力電池為軟包高鎳鋰電池，理論上存在能量密度高、但熱穩(wěn)定性差的隱患。不過(guò)，遠(yuǎn)景AESC在全新引入硅碳負(fù)極材料的同時(shí)，又通過(guò)AI算法和海量數(shù)據(jù)，從生產(chǎn)階段就實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電芯的質(zhì)量，并對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)進(jìn)行熱管理。未來(lái)，遠(yuǎn)景AESC更計(jì)劃與OEM廠商合作，接管電池在整個(gè)生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，并借助云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)全方位的狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)警。

特斯拉與松下的不足

在此特別探討一下前陣子發(fā)生的特斯拉電池自燃事故……

在日本松下（Panasonic）公司的動(dòng)力電池產(chǎn)品陣營(yíng)里，既有NCA鎳鈷鋁酸鋰型鋰電池，也有NCM鎳鈷錳酸鋰型鋰電池，并且在圓柱形封裝之外還有采用方殼封裝的電池。然而，在用于新能源汽車的動(dòng)力電池中，最典型的還是為特斯拉定制的NCA型圓柱電池。

而從特斯拉的搭載18650/21700電池來(lái)看，松下對(duì)于電池安全的關(guān)注重點(diǎn)似乎并不在于單個(gè)電池的熱穩(wěn)定性，而是監(jiān)控整個(gè)電池系統(tǒng)。一方面，松下采用一致性較好的圓柱形封裝，以便于進(jìn)行系統(tǒng)控制;另一方面，松下對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)采用分層管理，并在每一層之間設(shè)立防火墻和監(jiān)控板，可根據(jù)工作環(huán)境電池包的電壓、溫度等參數(shù)來(lái)獨(dú)立監(jiān)控。只不過(guò)，這些特斯拉車型御用電池用的是特斯拉主導(dǎo)開發(fā)的BMS系統(tǒng)。

但從實(shí)際案例來(lái)看，這套合作防護(hù)體系還不夠完善，并不足以完全抵消NCA型電池?zé)岱€(wěn)定性差的天生短板：有時(shí)是BMS系統(tǒng)失效，有時(shí)則是隔斷防火墻未能阻擋單個(gè)電池的熱失控，以至于火勢(shì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終燒毀整輛車。

BMS知多點(diǎn)

BMS的全稱為Battery Management System電池管理系統(tǒng)，主要用來(lái)監(jiān)控每個(gè)電池的電流、電壓、溫度等狀態(tài)，計(jì)算并記錄單個(gè)電池的SOC剩余容量等狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與車載充電系統(tǒng)等其他車內(nèi)系統(tǒng)協(xié)同工作，一起均衡整個(gè)電池系統(tǒng)的一致性，保護(hù)電芯并確保電池系統(tǒng)正常工作。不過(guò)，每個(gè)廠商對(duì)于類似系統(tǒng)的命名各不相同，比如，奧迪的電池管理系統(tǒng)就簡(jiǎn)稱BMC。

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，BMS是必不可少的。如果沒有BMS，或者BMS失效，車輛的監(jiān)控系統(tǒng)就無(wú)法預(yù)防熱失控。電池會(huì)因?yàn)檫^(guò)充而導(dǎo)致著火，電解液則可能會(huì)燃燒釋放出氣體，以至于單個(gè)電池膨脹，進(jìn)一步增加發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

仍在進(jìn)步的道路上

實(shí)際上，電芯、封裝與BMS系統(tǒng)也正是廠商在優(yōu)化動(dòng)力電池時(shí)著手的重點(diǎn)：有換用復(fù)合材料耐熱隔膜的，有在電解液中加入阻燃劑的，更有推進(jìn)BMS系統(tǒng)往大數(shù)據(jù)、智能化方向發(fā)展的。就連曾被認(rèn)為制造難度較大的NCM811型鋰電池，貌似也已經(jīng)被部分廠商攻克量產(chǎn)難關(guān)，達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)的水準(zhǔn)，比如國(guó)內(nèi)的寧德時(shí)代、比克等動(dòng)力電池供應(yīng)商就曾在4月份的上海車展上展示過(guò)適用于量產(chǎn)車的NCM811型鋰電池。順便一提，我國(guó)的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)不僅配有相當(dāng)齊全并仍在完善中的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，更有實(shí)力強(qiáng)勁的主流廠商，已在世界動(dòng)力電池領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。

至于動(dòng)力電池本身，有理由相信，未來(lái)肯定會(huì)出現(xiàn)能量密度更大，并且更安全的三元鋰電池。畢竟已有海外的實(shí)驗(yàn)室利用新型正極材料造出比NCM鋰電池循環(huán)壽命更長(zhǎng)、而且熱穩(wěn)定性更好的NCMA鋰電池。但與此同時(shí)，仍在積極推廣氫燃料電池，乃至嘗試應(yīng)用固體電池、空氣電池等新型電池的相關(guān)從業(yè)者也大有人在。

不過(guò)，話說(shuō)回來(lái)，提升新能源汽車的電池安全性是項(xiàng)系統(tǒng)工程，單純地選擇安全指標(biāo)最好的電池，或許能杜絕自燃事故，卻未必能滿足用車?yán)m(xù)航里程等方面剛需。但可以肯定的是，用電的新能源汽車遲早會(huì)用上蓄電量大又安全的動(dòng)力電池！