電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰電池發(fā)展趨勢(shì)與安全管理

2015年1～八月份，我國(guó)新能源汽車(chē)已經(jīng)達(dá)到12.35萬(wàn)輛，尤其是純電動(dòng)汽車(chē)上升得非常快。我們不能光看這個(gè)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)的動(dòng)力還是技術(shù)，假如說(shuō)純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)，我想核心就是電池技術(shù)，所以我今天想介紹一下電池技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容。

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，應(yīng)該說(shuō)總體上還是不錯(cuò)的，我們從十五科技部電動(dòng)汽車(chē)重點(diǎn)專項(xiàng)起步開(kāi)始推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰電池的研發(fā)，當(dāng)時(shí)重要是鎳氫電池和錳酸鋰離子電池；到十一五的時(shí)候，重要是磷酸鐵鋰離子電池，應(yīng)該說(shuō)磷酸鐵鋰離子電池的發(fā)展支撐了我國(guó)十二五電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展；到十二五，我們重點(diǎn)的研發(fā)轉(zhuǎn)向了三元鋰離子電池，估計(jì)2015年我們?nèi)囯x子電池的比能量會(huì)達(dá)到180Wh/kg，現(xiàn)在我國(guó)正在啟動(dòng)十三五。十三五將會(huì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)，估計(jì)在今后5～10年鋰離子電池將會(huì)達(dá)到它的技術(shù)極限，預(yù)計(jì)到2020年會(huì)超過(guò)200Wh/kg，比現(xiàn)在估計(jì)要提高一倍。

跟國(guó)際相比，我國(guó)電池領(lǐng)域也存在很多問(wèn)題，包括我們先進(jìn)材料和機(jī)理方面的研究比較差，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)還不太先進(jìn)。另外制造的自動(dòng)化程度比較低，精工藝的開(kāi)發(fā)能力比較弱，還有一個(gè)電池系統(tǒng)涉及技術(shù)比較落后。因?yàn)橐郧按蠹叶加X(jué)得電池系統(tǒng)沒(méi)什么技術(shù)，就是把單體給組合起來(lái)就完了，現(xiàn)在才開(kāi)始了解，電池系統(tǒng)也是很復(fù)雜的技術(shù)。由于這些問(wèn)題，我們高端材料供給還不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性及產(chǎn)品性能還不能完全滿足市場(chǎng)的要求，公司創(chuàng)新能力總體還不強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)量不足，而且面對(duì)韓國(guó)等國(guó)外電池公司的挑戰(zhàn)，這是當(dāng)前我國(guó)電池面對(duì)的一些問(wèn)題。

從全球看，電池技術(shù)尤其是鋰離子電池技術(shù)還在不斷進(jìn)步，預(yù)計(jì)在今后5～10年，也就是到2025年，鋰離子電池將會(huì)竭盡它的性能極限，到達(dá)大約350～400Wh/kg左右。我們下面會(huì)做研究來(lái)探討這個(gè)極限究竟是多少，至少我們現(xiàn)在認(rèn)為到達(dá)300～350Wh/kg應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的，這是單體。真正到系統(tǒng)，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以達(dá)到200Wh/kg左右，應(yīng)該說(shuō)比現(xiàn)在的大約提高一倍。這是美國(guó)能源部對(duì)鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的一個(gè)判斷，我們也基本是認(rèn)同這個(gè)判斷的。

當(dāng)然，為了達(dá)到這個(gè)系統(tǒng)，單體材料層面當(dāng)然就要達(dá)到80Wh/kg左右。日本應(yīng)該說(shuō)也是有類似的看法，在2020年，達(dá)到300Wh/kg，這是他們的一個(gè)基本判斷。這種電池將會(huì)采用硅碳復(fù)合的負(fù)極，高電壓的電解質(zhì)，以及富鋰的固溶體或者高鎳的三元材料，這個(gè)材料體系目前應(yīng)該說(shuō)從基礎(chǔ)層面基本上是清楚的，關(guān)鍵是如何把它開(kāi)發(fā)出來(lái)，也就是說(shuō)我們現(xiàn)在其實(shí)300Wh/kg也可以做到，但是壽命非常短，尤其負(fù)極的硅這種材料充電的時(shí)候膨脹比非常大，容易迅速衰減，所以提高壽命，如何來(lái)解決硅負(fù)極的相關(guān)問(wèn)題，這是目前技術(shù)攻關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)外的趨勢(shì)，我國(guó)2020年的一個(gè)基本的發(fā)展目標(biāo)，高比能量電池目標(biāo)也是要達(dá)到300Wh/kg，壽命1500次，成本0.8元，系統(tǒng)比能量大約210Wh/kg，這是按照單體的70%，比現(xiàn)在約提高一倍。假如用這樣的電池，我們用相同重量也就是200kg的電池的話，我國(guó)現(xiàn)在的性價(jià)比比較好的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程可以到300km以上。現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車(chē)的成本，重要新增的是電池，假如能把電動(dòng)機(jī)這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比的話，大約還可以節(jié)省出5000～1萬(wàn)元錢(qián)用于電池，其余多的錢(qián)就是新增的。按照我們購(gòu)置和使用綜合考慮的話，在2020年之后，小型電動(dòng)汽車(chē)比如說(shuō)城市代步用的200～250km左右，應(yīng)該可以跟燃油車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。這是我們電池的技術(shù)路線圖。

在邁向高比能量鋰離子電池的過(guò)程中，大家可以看到我們電池的成本下來(lái)了，比能量提高了，續(xù)駛里程上升了，我們電動(dòng)汽車(chē)可以競(jìng)爭(zhēng)了，但是這中間有一個(gè)重要的問(wèn)題是，在這個(gè)過(guò)程中，安全性將會(huì)變得更加突出。能量密度在持續(xù)上升，但是我們的安全性并沒(méi)有大的變化，安全性面對(duì)的挑戰(zhàn)，越往高比能量走挑戰(zhàn)越大。所以安全性要受到進(jìn)一步的高度重視，也就是說(shuō)我們性能提高了，但是耐久性和安全性的問(wèn)題將更加突出，這是我們面對(duì)的三個(gè)問(wèn)題。安全性、耐久性和動(dòng)力性，最核心的是安全性問(wèn)題。

動(dòng)力鋰電池的安全性

安全性的問(wèn)題概括起來(lái)叫動(dòng)力鋰電池?zé)崾Э兀簿褪请姵厥軣岬揭欢囟戎螅筒豢煽亓耍瑴囟戎本€上升，超過(guò)500℃、1000℃，然后就會(huì)燃燒爆炸。為何會(huì)有這個(gè)問(wèn)題，首先過(guò)熱會(huì)引起這個(gè)問(wèn)題，溫度上來(lái)，它會(huì)觸發(fā)電池里的副反應(yīng)，隨著溫度的升高，我們電池里會(huì)出現(xiàn)一系列的副反應(yīng)，這些副反應(yīng)都會(huì)放熱，導(dǎo)致熱的失控。另外一種原因，電觸發(fā)的，比方外部短路、內(nèi)部短路、過(guò)充，這些都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱，然后出現(xiàn)熱失控。還有一個(gè)原因就是碰撞，比方說(shuō)車(chē)輛的碰撞、擠壓。擠壓之后就像一個(gè)針刺了電池相同，然后短路，發(fā)生電的觸發(fā)，產(chǎn)熱，然后熱再引起熱失控。隨著溫度的升高，會(huì)觸發(fā)不同的副反應(yīng)，比如說(shuō)石墨負(fù)極與電解液的反應(yīng)、電解質(zhì)的分解、大規(guī)模的內(nèi)短路等，導(dǎo)致最后電解液燃燒，最后熱失控，放熱速率會(huì)非常快。一個(gè)熱失控之后會(huì)導(dǎo)致它在一個(gè)電池里面的傳播，它會(huì)在整個(gè)電池組里面迅速擴(kuò)散。

過(guò)熱的原因和解決辦法，包括電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高，或者是電纜的接頭松動(dòng)等，解決辦法有兩個(gè)方面，一個(gè)是電池的設(shè)計(jì)，一個(gè)是電池的管理。比如說(shuō)我們可以開(kāi)發(fā)防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)。另外，電池管理的角度，我們可以通過(guò)預(yù)測(cè)不同的溫度范圍，來(lái)含義不同的安全等級(jí)。比如說(shuō)在不同的階段，我們可以算出它的溫度是多少，來(lái)判斷含義不同的安全等級(jí)，進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。第二個(gè)問(wèn)題，有關(guān)過(guò)充電觸發(fā)的熱失控，比如說(shuō)前一階段出現(xiàn)的電動(dòng)巴士的燃燒就是這個(gè)原因，最后發(fā)現(xiàn)是電池管理系統(tǒng)本身對(duì)過(guò)充電的電池管理系統(tǒng)的電路沒(méi)有功能安全，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控后還在充電導(dǎo)致的。

隨著電池的老化，各個(gè)電池之間的一致性會(huì)越來(lái)越差，當(dāng)然過(guò)充就更容易發(fā)生了，還有一個(gè)問(wèn)題，就是電池組的容量比單體的容量下降的更快。所以我們必須了解這個(gè)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，我們要進(jìn)行整個(gè)電池組的均衡，來(lái)保持電池組的一致性，這就是一個(gè)均衡的原理。大家可以看出對(duì)一個(gè)串聯(lián)的電池組，我們現(xiàn)在重要是先并后串，這是最常見(jiàn)的電池組組合方法。我們可以看出，最后可以得到電池組容量就是那個(gè)最小容量的單體，這是我們可以達(dá)到的最大的電池組容量，也就是說(shuō)一個(gè)串聯(lián)電池組容量，它實(shí)際上最好的情況就是跟最小容量的單體相同大的容量。有了這個(gè)一致性之后，我們?nèi)萘恳不厣耍瑫r(shí)過(guò)充這種情況也會(huì)防止。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)一致性，我們就必須對(duì)各個(gè)單體進(jìn)行容量估計(jì)，也就要有一種方法來(lái)進(jìn)行容量估計(jì)，這就是根據(jù)充電曲線的相似性來(lái)進(jìn)行全體電池組的狀態(tài)的估計(jì)，也既是說(shuō)只要了解了其中一只單體的電池的曲線，其他的曲線應(yīng)該跟它是相似的，經(jīng)過(guò)曲線變化，他們可以近似重合，曲線變化的過(guò)程中間的這些差異就很容易算了，也就是說(shuō)根據(jù)一個(gè)單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法我們就可以進(jìn)行剛才的一致性的均衡，當(dāng)然這種算法的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以要進(jìn)行簡(jiǎn)化。

關(guān)于內(nèi)短路觸發(fā)的熱失控，比方說(shuō)波音的787事件，最后找到的原因，電極和隔膜上有金屬物，有了內(nèi)短路，無(wú)法100%確認(rèn)這個(gè)熱失控是內(nèi)短路觸發(fā)的，但是它是最可能的原因，因?yàn)檎也坏狡渌颍覂?nèi)短路沒(méi)辦法浮現(xiàn)。內(nèi)短路是什么原因，有三種，一種是電池制造雜質(zhì)，金屬顆粒，另外是充放電膨脹的收縮。內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長(zhǎng)，而且你不了解它什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熱失控。而且這個(gè)試驗(yàn)也是無(wú)法重復(fù)的，現(xiàn)在我們還沒(méi)有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過(guò)程。

目前全世界都在研究這個(gè)問(wèn)題。要解決這個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)方面是電池的選擇和電池單體容量的選擇，當(dāng)然你要找到好的電池廠商，它的品質(zhì)要好；第二是內(nèi)短路的安全預(yù)測(cè)，我們?cè)跊](méi)有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。我們必須要找到它的特點(diǎn)參數(shù)，先從一致性著手，電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，我們只要找到中間有變異的單體，我們就可以把它辨別出來(lái)。怎么辨別，有一個(gè)辦法，這就是正常的一個(gè)電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，我們把它的方程寫(xiě)出來(lái)的話，方程的形式實(shí)際上是相同的，正常單體、微短路的單體，只不過(guò)這里頭的參數(shù)發(fā)生了變化，所以我們可以對(duì)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行研究，它在內(nèi)短路變化中的一些特點(diǎn)。比方說(shuō)內(nèi)短路單體的電勢(shì)差，它的內(nèi)阻跟其他單體的差異，這些都會(huì)有特點(diǎn)。我們根據(jù)這些特點(diǎn)，把這些特點(diǎn)辨識(shí)出來(lái)，再利用模型來(lái)進(jìn)行單體的辨識(shí)，因?yàn)槲覀兛梢詼y(cè)到每個(gè)單體的電壓，每個(gè)單體的電流，利用這些數(shù)據(jù)再結(jié)合模型，我們就可以把每個(gè)單體的內(nèi)阻估出來(lái)，把它的這些參數(shù)全部估出來(lái)。根據(jù)這些參數(shù)的變化，我們來(lái)判斷它的一致性是否發(fā)生了顯著性變化。第三種觸發(fā)是機(jī)械觸發(fā)，比方說(shuō)碰撞，特斯拉就是這樣的，特斯拉在美國(guó)撞過(guò)好多輛車(chē)，我們清華大學(xué)跟MIT共同合作對(duì)特斯拉在美國(guó)的碰撞事故進(jìn)行過(guò)分析。假如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的仿真，最接近的就是針刺，用針里來(lái)刺這個(gè)電池。我們假如做其他的，比如說(shuō)磷酸鐵鋰離子電池，顯然在這個(gè)過(guò)程中它就沒(méi)有三元電池那么厲害，大家可以看電池極的溫度，基本上最高溫度在120℃，可以看出不同的材料在針刺的時(shí)候反應(yīng)不相同的，磷酸鐵鋰相對(duì)安全。所以到現(xiàn)在為止，仍然堅(jiān)持在大客車(chē)中間重要使用磷酸鐵鋰離子電池，暫時(shí)還不宜大規(guī)模使用三元電池，尤其對(duì)大客車(chē)。再比如碳酸鋰離子電池，它也問(wèn)題不大，不同的電池類型表現(xiàn)情況是不相同的。

為了研究針刺，我們會(huì)做一些三維的仿真模型，我們也可以做碰撞，怎么撞的，撞了之后怎么變形的，這些我們也做過(guò)很多研究。在此基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行安全性的設(shè)計(jì)，比方這個(gè)碰撞要解決的辦法就是電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)，這個(gè)是很有講究的。熱失控發(fā)生之后，它會(huì)往下傳播，因?yàn)榈谝还?jié)熱失控之后它會(huì)有傳熱，然后開(kāi)始傳播，比如說(shuō)有一個(gè)熱失控了，然后整組會(huì)像放鞭炮似的一個(gè)一個(gè)接下來(lái)。傳播我們可以建立一個(gè)模型來(lái)考察中間溫度升高率，化學(xué)能電能的產(chǎn)熱，還有傳熱對(duì)流等。整個(gè)熱電耦合的模型，我們可以用量熱儀來(lái)做一個(gè)相關(guān)的定量的分析。有了傳播模型我們就可以設(shè)計(jì)如何來(lái)阻斷和抑制，這就是要加隔熱層。但是加隔熱層也不是個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，加厚了體積大，而且隔熱層跟冷卻又是矛盾的，所以這些都是要解決的問(wèn)題。總之在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，要從安全保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來(lái)著手。