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从锂电池的使用种类和结构分析锂电池的安全性

五度易链 2019-04-22 1622 0

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 新能源汽车的自燃事件已经发生过多起,这也代表着新能源汽车本身也存在不安全性,这也将成为新能源汽车的发展难题。


  新能源汽车的自燃事件已经发生过多起,这也代表着新能源汽车本身也存在不安全性,这也将成为新能源汽车的发展难题。

  几日前,网友在微博上传了一段某国产新能源汽车在广州马路边电池自燃爆炸的视频,引起了全民关注。事发六天前,威马新能源汽车在其成都研究院内刚发生过自燃事件。就连新能源汽车的对标对象特斯拉都未能避免这样的状况,北汽、野马、荣威、比亚迪等也都先后被爆出过自燃问题。中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高就直接指出,目前纯电动车最大的风险就是电池的安全性。

  锂电池的使用种类

  众所周知,新能源汽车的的优势就在于相较于以汽油为燃料的车更加低碳环保。它采用的是非常规的车用燃料作为动力来源,如锂电池、氢燃料等。锂电池的应用领域也非常广泛,除了新能源汽车之外,手机、笔记本电脑、平板电脑、移动电源、电动自行车、电动工具等等。

  目前,无论是全球知名的特斯拉亦或者国内知名的小鹏汽车、蔚来汽车以及比亚迪等主流的新能源汽车使用的都是锂电池。这些新能源汽车厂商使用的锂电池按照正极材料分类又可以分为:磷酸铁锂电池、三元锂电池(包括NCA和NCM)、锰酸锂池、钴酸锂池、镍氢电池、钛酸锂池等。其中,特斯拉、北汽E200/150、广汽传祺GA5EV、北京奔驰、华晨宝马5系、蔚来汽车等使用的都是三元锂电池。而曾经使用磷酸铁锂电池的比亚迪也在后来转向了三元锂电池阵营。

  但是无论是三元锂电池亦或者磷酸铁锂电池,都躲不开易燃易爆的隐患。

  今年8月,苹果公司位于荷兰阿姆斯特丹的零售商店就因iPad电池爆炸并向空气中释放潜在的有害物质,零售店不得不紧急疏散店内的消费者暂时关门。而此前,三星、小米、华为等也都曾被爆出过手机自燃事件。多次事故显示,当人们充电不当、或者环境温度过高等情况下,极容易引发锂电池自燃、爆炸,这也成为使用厂家的一块心病。

  使用锂电池的原因

  电池选择上的局限,很大程度取决于电池自身的发展与商用条件。世界上第一个电池"伏特电堆"是用锌板和锡板制成的,之后相继出现了锌、铜电池,湿电池、干电池,因不会遗漏、便于携带,干电池在之后很长一段时间内得到了广泛应用,尔后被爱迪生发明的可充电镍铁电池所取代。最终采用钴酸锂作为正极材料,金属锂作为负极材料而制成的锂离子电池成为了市场最后的选择。

  相较于其他电池,锂电池有着明显的优势。它的使用寿命很长,在六年以上,并且电池体积小、能量密度高,可达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的6到7倍。目前,特斯拉宣布与松下联合研发的21700电池系统能量密度就达300Wh/kg。与此同时,铝电池具备高功率承受力,新能源汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可达到15-30C充放电的能力,这便于汽车高强度的启动和加速。锂电池具有高低温适应性很强、绿色环保、生产过程中基本不消耗水等特性。

  而电池的商用方面,因为受到体积重量、能量的储存及释放能力、保存时间、使用寿命、成本、使用便捷度、量产等多项条件限制,能够进行大规模商业化应用的电池不过寥寥。综合这两方面原因,锂电池成为了最佳解决方案。

  虽然锂电池本身的属性决定了其"易燃易爆炸"的宿命,但并不是完全无法降低风险和安全性的。无论手机企业亦或是新能源汽车公司,通过合理的电池管理系统以及热管理系统,电池就能够保证安全,也不会发生爆炸或者自燃现象。

  锂电池安全性问题解决方案

  针对锂离子电池在材料、制造和使用过程中的诸多安全隐患,如何对容易产生安全问题的部分进行改进,是锂离子电池制造商需要解决的问题。

  1、提高电解液的安全性

  电解液与正、负电极之间均存在很高的反应活性,尤其在高温下,为了提高电池的安全性,提高电解液的安全性是比较有效的方法之一。通过加入功能添加剂、使用新型锂盐以及使用新型溶剂可以有效解决电解液的安全隐患。

  根据添加剂功能的不同,主要可以分为以下几种:安全保护添加剂、成膜添加剂、保护正极添加剂、稳定锂盐添加剂、促锂沉淀添加剂、集流体防腐添加剂、增强浸润性添加剂等。

  为了改善商用锂盐的性能,研究者们对其进行了原子取代,得到了许多衍生物,其中采用全氟烷基取代原子得到的化合物具有闪点高、电导率近似、耐水性增强等诸多优点,是一类很有应用前景的锂盐化合物。另外,以硼原子为中心原子、与氧配体螯合得到的阴离子锂盐,具有很高的热稳定性。

  对于溶剂方面,很多研究者提出了一系列新型的有机溶剂,如羧酸酯、有机醚类有机溶剂。另外,离子液体也有一类安全性高的电解液,但是相对普遍使用的碳酸酯类电解液,离子液体的粘度高个数量级,电导率、离子自扩散系数较低,离实用化还有很多工作要做。

  2、提高电极材料的安全性

  磷酸铁锂以及三元复合材料被认为是成本低廉、“安全性优良”的正极材料,有可能在电动汽车产业中普及应用。对于正极材料,提高其安全性的常见方法为包覆修饰,如用金属氧化物对正极材料进行表面包覆,可以阻止正极材料与电解液之间的直接接触,抑制正极物质发生相变,提高其结构稳定性,降低晶格中阳离子的无序性,以降低副反应产热。

  对于负极材料,由于其表面的往往是锂离子电池中最容易发生热化学分解并放热的部分,因此提高SEI膜的热稳定性是提高负极材料安全性的关键方法。通过微弱氧化、金属和金属氧化物沉积、聚合物或者碳包覆,可以提高负极材料热稳定性。

  3、改善电池的安全保护设计

  除了提高电池材料的安全性,商品锂离子电池采用的许多安全保护措施,如设置电池安全阀、热溶保险丝、串联具有正温度系数的部件、采用热封闭隔膜、加载专用保护电路、专用电池管理系统等,也是增强安全性的手段。

  解决现在汽车的安全性也是新能源汽车企业在发展中待需解决的问题,这也是企业对消费者必须承担的责任。


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