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鋰電池熱的"冷"思考 現今的電動車能快充嗎?

來源:寶鄂實業    2019-03-28 17:31    點擊量:
8月20日遼陽一輛電動汽車著火,8月23日聊城發生電動火車著火事件,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客車著火……2018年5月到8月,公開報道的電動汽車事故多達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。新能源汽車進入發展高速期,技術突破和安全性上的挑戰隨之而來。
 
新能源汽車主是指采用非常規的車用燃料作為動力來源的汽車,目前市面上zui常見的是純電動汽車和混合動力汽車。與普通汽車需要內燃機一樣,電動汽車需要動力電池提供前進的能量,目前動力電池中zui主要的類型是鋰離子蓄電池。
 
“遵循科學規律,不要盲目”、“先把安全可靠的技術發展起來”,在10月17日至18日 北京舉行的“中國宜春·2018全球鋰電產業鏈高峰論壇”上,來自學界業界的人士,紛紛就鋰電池發展安全性的問題,如是呼吁。
 
鋰離子電池(Li-ion Battery)由鋰電池(Lithium Battery)發展而來。鋰電池在人們的生活中由來已久,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,因為其充電放電過程中容易形成鋰枝晶,造成電池內部短路。
 
1992年,日本索尼公司發明了以炭材料為負極,以含鋰化合物作正極的電池,在充放電過程中,只有鋰離子,沒有金屬鋰存在,也就是現在的鋰離子電池。此后,日本索尼能源開發公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池(以下簡稱“鋰電池”)。目前鋰電池已廣泛用于各類手持式電子產品和電動汽車上。
 
對于鋰電池來說,性能好壞表現在兩個指標上:一個是充放電倍率,代表了電池的充電速度;一個是能量密度,決定了一輛車能續航多少公里。然而,對這兩項指標的盲目追求,很大程度上犧牲的是安全系數。
 
快速充電技術目前還沒有出路
 
“這些著火的事件,至少有60%是在充電或充電剛剛結束的時候出的事,說明充電出了大問題。” 國家863電動車重大專項動力電池測試中心主任王子冬表示。
 
鋰電池在充電過程中,鋰離子在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌,正極負極不發生氧化反應。但是王子冬提出,現在充電的方法和使用過程充電都是用的氧化還原反應,不是鋰電池遵循自身規律應該有的充電方法。此前王子冬團隊的實驗結果顯示,使用現在的充電方法,大概能使電池壽命降低30%。因此在這樣的情況下,王子冬認為不應當考慮用大電流充電。
 
鋰電池的充放電倍率是指單位額定容量內的充放電電流,例如額定容量為100Ah的電池用20A充放電時,其充放電倍率就為0.2C。一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間,電流越大,充電越快,但同時電池發熱現象也越嚴重。目前純電動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,用過大的電流充電會造成容量不夠滿,這是因為電池內部的電化學反應需要時間。和倒啤酒的一樣,倒太快會產生泡沫,反而倒不滿。
 
北京大學新能源材料與技術實驗室主任其魯介紹,今天的多元正極金屬復合氧化物電池要實現8分鐘充電,理論上大概要用10C的倍率才能做到,“這個能量不可想象”。
 
這些技術瓶頸實際上并不是新問題,其魯是中國鋰電池研究領域的先鋒人物之一,曾擔任2008年奧運會清潔能源電動車用動力電池項目的首席科學家,早在北京奧運會時期,他們就針對各類問題做過各種實驗。當時三元材料電池已經可以在5分鐘內完成充電。在實驗里,三元鋰電池在快速充電的過程中,熱量不能迅速釋放,使得爆炸的可能性大大增加。考慮到安全問題,其魯表示這種技術不能用到純電動車上,只能用在電池混合動力車。
 
此外,動力電池的快充還面臨著一個非常現實的問題——城市的電力基本設施無法滿足個需求。假設一輛公交車用的是150kWh的電池,需要5分鐘來充電,一輛公交車就需要100kW供電能力,如果同時有幾百輛上千輛公交車一起充電,會對電網造成很大的沖擊。
 
“今天的城市電網根本做不到這一點。”其魯表示。
 
目前,王子冬的團隊正研究充電過程中根據電池特性調整充電方法,改了不同的充電方法后,普通標準充電法充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,鋰電池一定會有特別適合自己的充電方法。
 
其魯認為,現階段zui合適的是以車位為單位接線充電,兩三個小時、五六個小時、甚至一個晚上,這是充電技術完全可以做到。通過先把安全可靠的充電方式發展起來,來推動電動汽車的穩步、安全、健康發展。
 
能量密度與安全性是一對矛盾
 
2018年2月,財政部、工信部等四部委聯合發布《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》,取消了對續駛里程150公里以下純電動車的補貼,對續駛里程超過300公里的純電動車補貼則增至3.4萬元,超過400公里的車型補貼增至5萬元。
 
美國加州大學戴維斯分校中國交通能源中心主任王云石分析,這意味著純電動車在達到與汽油車類似的續駛里程后,續駛里程越長越好。新政策可能希望通過對動力電池系統能量密度的要求,來推進動力電池的發展。
 
鋰電池的能量密度(Wh/kg)是指單位重量的電池能儲存的能量多少,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計算,如果使用鉛酸電池驅動家用汽車行駛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,汽車的續航里程就越長。
 
能量密度數值理應是越高越好,但電池是能量高度集中的小型裝置,當更小體積里聚集更多能量時,如果使用不當,比如溫度升高或突然遇到劇烈碰撞,其產生的后果甚至可以和炸 彈相提并論。
 
根據新能源研究院真鋰研究發布的zui新數據,2018年6月份之后,120Wh/kg的電池包的裝機量占比達到了約95%,而一年前的6月該比重僅為7.3%。也就是說國內電池系統能量密度的進步數以“驚人的速度”遠遠超過了海外。
 
2017-2018.8中國電動汽車乘用車產量中不同能量密度電池包的裝機占比  來源:真鋰研究
 
盡管在高能量密度電池包的裝機數量有了極大提升,但如何平衡能量密度與安全性的問題尚未得到解決。
 
“在今天,能量密度毫無疑問和電池安全性成反比,我們還沒有解決好這個問題。” 其魯表示。
 
目前中國國內量產的鋰電池,理論電芯能量密度在300到400Wh。在這個上限尚無突破辦法的情況下,可以通過減磨隔膜的方式,擴大材料空間,從而提高能量密度。隔膜的作用是使電池的正、負極分隔開來,防止兩極接觸而短路,并讓電解質離子通過。
 
“這是zui簡單,也是zui危險的辦法。”王子冬表示。
 
王子冬介紹,此前他的研究團隊了解過三星Note7的著火事件,檢查發現三星Note7的電池使用的隔膜約在45微米到46微米左右厚,在使用同質材料的情況下,有些動力電池制造廠商甚至在考慮用10微米、8微米厚的隔膜,在他看來這樣的想法“很膽大”。
 
由于電池制造過程當中避免不了掉顆粒的現象,實際隔膜都會帶些細微的“工傷”,在材料沒有突破的前提下,超薄的隔膜、可燃的電解液、加上暗流涌動的枝晶,若在這一環節鋌而走險便會埋下爆炸隱患。
 
“在沒有掌握住鋰電池的著火規律前,把控能量密度、安全性和壽命的平衡關系,是我們不能忽視的問題。”王子冬說。
 
實際上,能量密度與安全性這一“魚與熊掌”的問題,不僅困擾著中國的鋰電池技術發展,同樣也困擾著業內領先的韓國和日本。來自德意志證券韓國公司的分析師Seunghoon Han表示,目前沒有哪家公司敢說其技術路線是完全確定的,但每個公司都認為他們的電池是zui安全的。鑒于其他很多行業都通過標準化和規范化,引導解決了很多安全問題,如今鋰電池行業發展面臨的這些安全問題,或許也可以需要標準化來解決。而這些發展瓶頸期的問題,并不影響快充技術和提高能量密度依然是未來的技術發展方向。
 
“只有將安全指標標準化、規范化之后,技術發展才會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,高密度的材料將會決定儲存電能的大小。當一種材料能做到的厚度達到安全極限卻還低于人們期望的時候,很多人將目光轉向尋求新的材料。王子冬認為,如果沒有材料上突破,突破高能量密度這一問題,將會在瓶頸期會停滯很長的時間,10年或50年都有可能。
 
而對于zui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,這些材料實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,未來甚至還能將密度做得更高。
 
“從材料角度看,石墨烯導電性能好,但由材料推導到電池再推導到電動車上,概念能一樣嗎?”其魯說,“納米材料在這個領域當中不會有什么具體應用。”
 
不管是快充還是高能量密度,其魯認為一定要戒驕戒躁、保持警惕,尤其對類似固態鋰電池這類能保證能量密度、使用又安全的技術,在沒有很好電導率的電解質材料出現之前,對這類電池的產業化不應抱有太多期望。
 
“我們還是要全力以赴發展出我們可行的技術,我認為zui重要的是我們‘明天的技術’。”其魯表示。
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