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高镍安全成共识,但固态电池现分歧

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-10-22  来源:NE时代
  什么是电动汽车自燃的“罪魁祸首”?用最近很流行的一句话来回答,没有一片雪花是无辜的。
 
  一个推崇能量密度的电动汽车市场,对电池包、整车的安全带来了巨大挑战。2018年国内电动汽车每百万辆发生了52起安全事故。若论场景,充电、行驶、停放,均是安全事故发生的场景。
 
  若分析原因,58%的起火事故发生原因是锂电池的热失控。近90%的热失控是由短路引发的。电芯层面,正负极材料、电解液、隔膜,是热失控发生的直接导火索。成组后,如何在结构设计、冷却、电控方面抑制热扩散,关系到热失控风险能否被减少或扼杀。
 
  2019年10月16日-17日,2019中日韩下一代新能源汽车电池技术大会在上海举办。大会分为两个论坛,主题分别为电池热安全与解决方案和固态电池关键技术与产业化挑战。
 
  论坛一,OEM、动力电池企业、知名高校、实验室、检测机构,在动力电池比能量层次不断提升下,讨论高镍电池热失控的产生原因及解决方案。论坛二则是关于不同固态电池技术路线及现状的解析。
 
  系统看热安全
 
  一块动力电池的全生命周期是从材料体系的选择开始,到电芯的完成,模组、PACK的成型,装车应用后的电池管理,到随车运行中的使用。
 
  热失控产生的根源是在电芯。正负极是“导火线”,电解液是“燃料库”,它只需要一粒“火花”就会出现热失控或者火灾。
 
  “火花”或来自于电芯内部,或由外因而起。内因主要指在电池设计及制造过程中产生的不稳定因素;外因主要指在电池运输、安装及运行维护过程中由于人员、外部条件等导致的原因。
 
  造成电池热安全失效,主要是局部过热,导致电池内部短路,或者微短路造成电池隔膜破损,出现更大面积的短路。
 
  锂离子电池从NCM111、NCM523一路升级到NCM622、NCM811。正极三元材料镍含量不断提高,释氧温度不断下降,正极材料的热稳定性越来越差。释氧温度下降就意味着锂电池更加不耐热,正极材料随着温度的提高从层状结构变为尖晶石结构,然后形成岩盐,并释放出活性氧。岩盐的生长和氧气的释放是热失控产生的根本问题。
 
  电化学滥用是最令电芯厂头痛的问题。在热冲击、过充、过放等滥用状态下,电池内部的活性物质及电解液会产生锂枝晶,刺穿隔膜,导致内短路。负极析锂是锂枝晶生长的一大原因。因此如何防止锂枝晶的是一项重要课题。
 
  隔膜失效导致正负极短路是一个热失控重要的环节。当SEI膜这层安全膜被破坏后,电解液与电极发生反应产生热,将会熔化隔膜。而且隔膜面对着的敌人还有锂枝晶,威胁着它的完整性和稳定性。
 
  内短路、过充、电池老化等带来的电池失效外,外短路、挤压、火烧、浸泡、模拟碰撞这些非常极端状态下的机械失效也会转化为内短路引发电气失效,最终导致热失控。
 
  电池在全生命周期过程当中可能出现的一些失效、性能衰减,会造成电芯超过了安全使用范围被应用,引发一些安全事故。
 
  电池厂和OEM齐心协力
 
  热失控产生的内外因,需要电池厂和OEM的共同协作,给出一个整体的解决方案,包括正负极材料、隔膜、电解液以及电池管理、PACK结构设计。
 
  对于电池厂而言,寻找耐高压、耐高温的阻燃电解液、耐高温的单晶正极材料、抑制锂枝晶的负极材料,或者使用添加了安全剂的包覆后的NMC811正极,提高干法隔膜的应用,引入陶瓷隔膜,在电芯层面抑制热失控。
 
  对于主机厂而言,关注电池本身的安全远远不够。除了电池自身的问题,电池电连接、机械安全、充电连接、日常性使用问题、出现问题后迅速处理,均是电动汽车安全的核心。
 
  OEM的动力电池安全防护体系从单体、模组、BMS和系统四个方面进行设计和验证。一方面,电池厂家本身从设计、制造环节确保安全。另一方面,整车厂从模组安全上考虑机械、电气、热安全,如安全间隙、受力设计、防护。
 
  在总成结构上,OEM要考虑整车的各种工况,还有冷却管路、新型冷却技术、热失控的预警、防扩散,同时思考主动灭火,怎么通过外部结构把火扑灭。
 
  OEM普遍思考的是如何从系统层面提高电池包的安全的设计。无论是正负极材料、电解液、隔膜,成组后PACK的结构设计、冷却、热管理,以及防范警告,均是OEM分析的对象。
 
  锂电池的安全是一个大话题,它涉及到从材料、生产到应用的方方面面。确保电动汽车的热安全,需要主机厂、电池厂、检测机构的通力合作,从分析热失控的机理入手,探索延缓热失控发生的新技术。
 
  固态电池的不同声音
 
  电动汽车的向前预示着动力电池比能量标准不会后退。高电势正负级材料的应用已成为趋势,NCM811、硅碳负极越来越多地出现在电池厂的技术路线中。但火灾的风险仍威胁着高镍电池的应用。于是电池厂和OEM将目光投向阻燃、耐高压的固态化电解质,期望借此来解决比能量和安全性的平衡问题。
 
  但是,在本次的中日韩大会上,中日嘉宾对固态电池的研究和应用的观点差异甚大,挑战着业内对固态电池的固有看法。相对高镍安全解决方案现场的齐心协力,固态电池的现场是在分歧中前行。
 
  日本30年固态电池专家Tadahiko Kubota博士、日本原丰田、本田电池核心专家大木栄幹,对固态电池研究现状的评述可以用“悲观”来形容,固态电池应用于电动汽车是相当困难的。而另一方,国内清陶、卫蓝、辉能、国轩高科等电池厂、中科院、同济大学、上海交通大学等均在对固态电池进行孜孜不倦、如火如荼的研究。
 
  日本专家的观点可概括为以下几点:丰田硫化物还停留在研发阶段,以现阶段的技术水平不可能量产。它研发固态电池的初衷为了减少混动车用电池。而外部错认为固态电池就是用于电动汽车。这是丰田内部想法和外部舆论之间出现的差别。
 
  安全性方面,固态电池也会产生锂枝晶问题,安全性非常令人担忧。而且判断它的安全性并不能通过电解质是否易燃来判断,最重要的问题是能量密度高的正极和负极直接接触。
 
  全固态电池可能会提高能量密度,其中一个原因是可以减少外部材料。但这不仅仅是全固态电池特有的特性。
 
  快充方面,丰田论文、绝大多数研究人员并没有确认过全固态电池可以进行快速充电的任何证据。他们都表示,在充电时候会形成锂枝晶,越是了解全固态电池的人越是否认它可以快充这一点。
 
  丰田近十年的专利大多是关于阻抗的专利。它从十年前开始就在研究这个问题,到现在为止还是一个很大的问题。
 
  国内电池厂的观点:真正火灾的蔓延与有机液体电解质直接相关。固态电解质从聚合物,到陶瓷电解质等,都可以在不同程度上改善电池的安全性。固态电池在安全性、能量密度两方面,相较过去常规的传统锂离子电池都得到提升,前提是我们要有好的技术解决界面的问题,保证固体电解质能够适应电池的设计,能够满足高比能量电池的要求。
 
  我们认为固态电池确实在有些方面有优势。当隔膜和电解液用固态物质取代后,它会有更高的安全性。当把整个体系的安全性阈值提高之后,这个体系可以采用高电势正负极材料,如金属锂负极,未来也会有更高的能量密度。
 
  目前的思路是,尽可能和现有的锂电设备和锂电工艺所兼容,把成本尽可能地降下去。由于固态电池具有高能量密度和高安全性,它可能在一些特殊情况先得到一些应用。
 
  固态电池的能量密度优势在电芯层面相对不够明显,到PACK层面更为突出。到2021年固态电池通过采用更高利用率的活性材料,在电芯层面的能量密度将与液态电池持平,然后逐步超越。
 
  尽管国内海外专家对固态电池在能量密度、安全性等存在争议,但他们基本上都认为,固态电池的研究室为了解决液态电池的一些不足,它的商业化应用是一个漫长的过程。因此固态电池可以先从摩托车、消费电子领域进行导入,待安全、性能、
 
  成本三个维度都成熟的条件下再进入电动汽车领域。
 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的行业性、非营利性的社会组织,主管部门为工业和信息化部。协会成立于1989年12月,现有460多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、电池设备分会、动力电池应用分会等十个分支机构。
本会服务范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子和锂聚合物电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

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