8月20日遼陽一輛電動(dòng)汽車著火，8月23日聊城發(fā)生電動(dòng)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(dòng)客車著火……2018年5月到8月，公開報(bào)道的電動(dòng)汽車事故多達(dá)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(jìn)入發(fā)展高速期，技術(shù)突破和安全性上的挑戰(zhàn)隨之而來。
新能源汽車主是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源的汽車，目前市面上最常見的是純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車。與普通汽車需要內(nèi)燃機(jī)一樣，電動(dòng)汽車需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁┣斑M(jìn)的能量，目前動(dòng)力電池中最主要的類型是鋰離子蓄電池。
“遵循科學(xué)規(guī)律，不要盲目”、“先把安全可靠的技術(shù)發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇”上，來自學(xué)界業(yè)界的人士，紛紛就鋰電池發(fā)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(fā)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(fù)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?yàn)槠涑潆姺烹娺^程中容易形成鋰枝晶，造成電池內(nèi)部短路。
1992年，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)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(xiàn)在的鋰離子電池。此后，日本索尼能源開發(fā)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(chǎn)品和電動(dòng)汽車上。
對于鋰電池來說，性能好壞表現(xiàn)在兩個(gè)指標(biāo)上：一個(gè)是充放電倍率，代表了電池的充電速度；一個(gè)是能量密度，決定了一輛車能續(xù)航多少公里。然而，對這兩項(xiàng)指標(biāo)的盲目追求，很大程度上犧牲的是安全系數(shù)。
“快速充電技術(shù)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(jié)束的時(shí)候出的事，說明充電出了大問題。” 國家863電動(dòng)車重大專項(xiàng)動(dòng)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(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌，正極負(fù)極不發(fā)生氧化反應(yīng)。但是王子冬提出，現(xiàn)在充電的方法和使用過程充電都是用的氧化還原反應(yīng)，不是鋰電池遵循自身規(guī)律應(yīng)該有的充電方法。此前王子冬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用現(xiàn)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(rèn)為不應(yīng)當(dāng)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(nèi)的充放電電流，例如額定容量為100Ah的電池用20A充放電時(shí)，其充放電倍率就為0.2C。一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，但同時(shí)電池發(fā)熱現(xiàn)象也越嚴(yán)重。目前純電動(dòng)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(huì)造成容量不夠滿，這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。和倒啤酒的一樣，倒太快會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而倒不滿。
北京大學(xué)新能源材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任其魯介紹，今天的多元正極金屬復(fù)合氧化物電池要實(shí)現(xiàn)8分鐘充電，理論上大概要用10C的倍率才能做到，“這個(gè)能量不可想象”。
這些技術(shù)瓶頸實(shí)際上并不是新問題，其魯是中國鋰電池研究領(lǐng)域的先鋒人物之一，曾擔(dān)任2008年奧運(yùn)會(huì)清潔能源電動(dòng)車用動(dòng)力電池項(xiàng)目的首席科學(xué)家，早在北京奧運(yùn)會(huì)時(shí)期，他們就針對各類問題做過各種實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)三元材料電池已經(jīng)可以在5分鐘內(nèi)完成充電。在實(shí)驗(yàn)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(shù)不能用到純電動(dòng)車上，只能用在電池混合動(dòng)力車。
此外，動(dòng)力電池的快充還面臨著一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題——城市的電力基本設(shè)施無法滿足個(gè)需求。假設(shè)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(shí)有幾百輛上千輛公交車一起充電，會(huì)對電網(wǎng)造成很大的沖擊。
“今天的城市電網(wǎng)根本做不到這一點(diǎn)。”其魯表示。
目前，王子冬的團(tuán)隊(duì)正研究充電過程中根據(jù)電池特性調(diào)整充電方法，改了不同的充電方法后，普通標(biāo)準(zhǔn)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(huì)有特別適合自己的充電方法。
其魯認(rèn)為，現(xiàn)階段最合適的是以車位為單位接線充電，兩三個(gè)小時(shí)、五六個(gè)小時(shí)、甚至一個(gè)晚上，這是充電技術(shù)完全可以做到。通過先把安全可靠的充電方式發(fā)展起來，來推動(dòng)電動(dòng)汽車的穩(wěn)步、安全、健康發(fā)展。
能量密度與安全性是一對矛盾
2018年2月，財(cái)政部、工信部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，取消了對續(xù)駛里程150公里以下純電動(dòng)車的補(bǔ)貼，對續(xù)駛里程超過300公里的純電動(dòng)車補(bǔ)貼則增至3.4萬元，超過400公里的車型補(bǔ)貼增至5萬元。
美國加州大學(xué)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(dòng)車在達(dá)到與汽油車類似的續(xù)駛里程后，續(xù)駛里程越長越好。新政策可能希望通過對動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度的要求，來推進(jìn)動(dòng)力電池的發(fā)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(jì)算，如果使用鉛酸電池驅(qū)動(dòng)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(xù)航里程就越長。
能量密度數(shù)值理應(yīng)是越高越好，但電池是能量高度集中的小型裝置，當(dāng)更小體積里聚集更多能量時(shí)，如果使用不當(dāng)，比如溫度升高或突然遇到劇烈碰撞，其產(chǎn)生的后果甚至可以和炸彈相提并論。
根據(jù)新能源研究院真鋰研究發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2018年6月份之后，120Wh/kg的電池包的裝機(jī)量占比達(dá)到了約95%，而一年前的6月該比重僅為7.3%。也就是說國內(nèi)電池系統(tǒng)能量密度的進(jìn)步數(shù)以“驚人的速度”遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了海外。
2017-2018.8 中國電動(dòng)汽車乘用車產(chǎn)量中不同能量密度電池包的裝機(jī)占比 來源：真鋰研究
盡管在高能量密度電池包的裝機(jī)數(shù)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(gè)問題。” 其魯表示。
目前中國國內(nèi)量產(chǎn)的鋰電池，理論電芯能量密度在300到400Wh。在這個(gè)上限尚無突破辦法的情況下，可以通過減磨隔膜的方式，擴(kuò)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(fù)極分隔開來，防止兩極接觸而短路，并讓電解質(zhì)離子通過。
“這是最簡單，也是最危險(xiǎn)的辦法。”王子冬表示。
王子冬介紹，此前他的研究團(tuán)隊(duì)了解過三星Note7的著火事件，檢查發(fā)現(xiàn)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(zhì)材料的情況下，有些動(dòng)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(dāng)中避免不了掉顆粒的現(xiàn)象，實(shí)際隔膜都會(huì)帶些細(xì)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(dòng)的枝晶，若在這一環(huán)節(jié)鋌而走險(xiǎn)便會(huì)埋下爆炸隱患。
“在沒有掌握住鋰電池的著火規(guī)律前，把控能量密度、安全性和壽命的平衡關(guān)系，是我們不能忽視的問題。”王子冬說。
實(shí)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(shù)發(fā)展，同樣也困擾著業(yè)內(nèi)領(lǐng)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(shù)路線是完全確定的，但每個(gè)公司都認(rèn)為他們的電池是最安全的。鑒于其他很多行業(yè)都通過標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，引導(dǎo)解決了很多安全問題，如今鋰電池行業(yè)發(fā)展面臨的這些安全問題，或許也可以需要標(biāo)準(zhǔn)化來解決。而這些發(fā)展瓶頸期的問題，并不影響快充技術(shù)和提高能量密度依然是未來的技術(shù)發(fā)展方向。
“只有將安全指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化之后，技術(shù)發(fā)展才會(huì)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(huì)決定儲存電能的大小。當(dāng)一種材料能做到的厚度達(dá)到安全極限卻還低于人們期望的時(shí)候，很多人將目光轉(zhuǎn)向?qū)で笮碌牟牧稀Ｍ踝佣J(rèn)為，如果沒有材料上突破，突破高能量密度這一問題，將會(huì)在瓶頸期會(huì)停滯很長的時(shí)間，10年或50年都有可能。
而對于最近很火的石墨烯、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(nèi)，這些材料實(shí)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(dǎo)電性能好，但由材料推導(dǎo)到電池再推導(dǎo)到電動(dòng)車上，概念能一樣嗎？”其魯說，“納米材料在這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中不會(huì)有什么具體應(yīng)用。”
不管是快充還是高能量密度，其魯認(rèn)為一定要戒驕戒躁、保持警惕，尤其對類似固態(tài)鋰電池這類能保證能量密度、使用又安全的技術(shù)，在沒有很好電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料出現(xiàn)之前，對這類電池的產(chǎn)業(yè)化不應(yīng)抱有太多期望。
“我們還是要全力以赴發(fā)展出我們可行的技術(shù)，我認(rèn)為最重要的是我們‘明天的技術(shù)’。”其魯表示。