高鎳安全成共識 但固態電池現分歧
時間:2019-10-22 10:27來源:NE時代 作者:Leslie Ding
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相對高鎳安全解決方案現場的齊心協力，固態電池的現場是在分歧中前行。
什么是電動汽車自燃的“罪魁禍首”？用最近很流行的一句話來回答，沒有一片雪花是無辜的。
一個推崇能量密度的電動汽車市場，對電池包、整車的安全帶來了巨大挑戰。2018年國內電動汽車每百萬輛發生了52起安全事故。若論場景，充電、行駛、停放，均是安全事故發生的場景。
若分析原因，58%的起火事故發生原因是鋰電池的熱失控。近90%的熱失控是由短路引發的。電芯層面，正負極材料、電解液、隔膜，是熱失控發生的直接導火索。成組后，如何在結構設計、冷卻、電控方面抑制熱擴散，關系到熱失控風險能否被減少或扼殺。
2019年10月16日-17日，2019中日韓下一代新能源汽車電池技術大會在上海舉辦。大會分為兩個論壇，主題分別為電池熱安全與解決方案和固態電池關鍵技術與產業化挑戰。
論壇一，OEM、動力電池企業、知名高校、實驗室、檢測機構，在動力電池比能量層次不斷提升下，討論高鎳電池熱失控的產生原因及解決方案。論壇二則是關于不同固態電池技術路線及現狀的解析。
系統看熱安全
一塊動力電池的全生命周期是從材料體系的選擇開始，到電芯的完成，模組、PACK的成型，裝車應用后的電池管理，到隨車運行中的使用。
熱失控產生的根源是在電芯。正負極是“導火線”，電解液是“燃料庫”，它只需要一粒“火花”就會出現熱失控或者火災。
“ 火花”或來自于電芯內部，或由外因而起。內因主要指在電池設計及制造過程中產生的不穩定因素；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由于人員、外部條件等導致的原因。
造成電池熱安全失效，主要是局部過熱，導致電池內部短路，或者微短路造成電池隔膜破損，出現更大面積的短路。
鋰離子電池從NCM111、NCM523一路升級到NCM622、NCM811。正極三元材料鎳含量不斷提高，釋氧溫度不斷下降，正極材料的熱穩定性越來越差。釋氧溫度下降就意味著鋰電池更加不耐熱，正極材料隨著溫度的提高從層狀結構變為尖晶石結構，然后形成巖鹽，并釋放出活性氧。巖鹽的生長和氧氣的釋放是熱失控產生的根本問題。
電化學濫用是最令電芯廠頭痛的問題。在熱沖擊、過充、過放等濫用狀態下，電池內部的活性物質及電解液會產生鋰枝晶，刺穿隔膜，導致內短路。負極析鋰是鋰枝晶生長的一大原因。因此如何防止鋰枝晶的是一項重要課題。
隔膜失效導致正負極短路是一個熱失控重要的環節。當SEI膜這層安全膜被破壞后，電解液與電極發生反應產生熱，將會熔化隔膜。而且隔膜面對著的敵人還有鋰枝晶，威脅著它的完整性和穩定性。
內短路、過充、電池老化等帶來的電池失效外，外短路、擠壓、火燒、浸泡、模擬碰撞這些非常極端狀態下的機械失效也會轉化為內短路引發電氣失效，最終導致熱失控。
電池在全生命周期過程當中可能出現的一些失效、性能衰減，會造成電芯超過了安全使用范圍被應用，引發一些安全事故。
電池廠和OEM齊心協力
熱失控產生的內外因，需要電池廠和OEM的共同協作，給出一個整體的解決方案，包括正負極材料、隔膜、電解液以及電池管理、PACK結構設計。
對于電池廠而言，尋找耐高壓、耐高溫的阻燃電解液、耐高溫的單晶正極材料、抑制鋰枝晶的負極材料，或者使用添加了安全劑的包覆后的NMC811正極，提高干法隔膜的應用，引入陶瓷隔膜，在電芯層面抑制熱失控。
對于主機廠而言，關注電池本身的安全遠遠不夠。除了電池自身的問題，電池電連接、機械安全、充電連接、日常性使用問題、出現問題后迅速處理，均是電動汽車安全的核心。
OEM的動力電池安全防護體系從單體、模組、BMS和系統四個方面進行設計和驗證。一方面，電池廠家本身從設計、制造環節確保安全。另一方面，整車廠從模組安全上考慮機械、電氣、熱安全，如安全間隙、受力設計、防護。
在總成結構上，OEM要考慮整車的各種工況，還有冷卻管路、新型冷卻技術、熱失控的預警、防擴散，同時思考主動滅火，怎么通過外部結構把火撲滅。
OEM普遍思考的是如何從系統層面提高電池包的安全的設計。無論是正負極材料、電解液、隔膜，成組后PACK的結構設計、冷卻、熱管理，以及防范警告，均是OEM分析的對象。
鋰電池的安全是一個大話題，它涉及到從材料、生產到應用的方方面面。確保電動汽車的熱安全，需要主機廠、電池廠、檢測機構的通力合作，從分析熱失控的機理入手，探索延緩熱失控發生的新技術。
固態電池的不同聲音
電動汽車的向前預示著動力電池比能量標準不會后退。高電勢正負級材料的應用已成為趨勢，NCM811、硅碳負極越來越多地出現在電池廠的技術路線中。但火災的風險仍威脅著高鎳電池的應用。于是電池廠和OEM將目光投向阻燃、耐高壓的固態化電解質，期望借此來解決比能量和安全性的平衡問題。
但是，在本次的中日韓大會上，中日嘉賓對固態電池的研究和應用的觀點差異甚大，挑戰著業內對固態電池的固有看法。相對高鎳安全解決方案現場的齊心協力，固態電池的現場是在分歧中前行。
日本30年固態電池專家Tadahiko Kubota博士、日本原豐田、本田電池核心專家大木栄幹，對固態電池研究現狀的評述可以用“悲觀”來形容，固態電池應用于電動汽車是相當困難的。而另一方，國內清陶、衛藍、輝能、國軒高科等電池廠、中科院、同濟大學、上海交通大學等均在對固態電池進行孜孜不倦、如火如荼的研究。
日本專家的觀點可概括為以下幾點：豐田硫化物還停留在研發階段，以現階段的技術水平不可能量產。它研發固態電池的初衷為了減少混動車用電池。而外部錯認為固態電池就是用于電動汽車。這是豐田內部想法和外部輿論之間出現的差別。
安全性方面，固態電池也會產生鋰枝晶問題，安全性非常令人擔憂。而且判斷它的安全性并不能通過電解質是否易燃來判斷，最重要的問題是能量密度高的正極和負極直接接觸。
全固態電池可能會提高能量密度，其中一個原因是可以減少外部材料。但這不僅僅是全固態電池特有的特性。
快充方面，豐田論文、絕大多數研究人員并沒有確認過全固態電池可以進行快速充電的任何證據。他們都表示，在充電時候會形成鋰枝晶，越是了解全固態電池的人越是否認它可以快充這一點。
豐田近十年的專利大多是關于阻抗的專利。它從十年前開始就在研究這個問題，到現在為止還是一個很大的問題。
國內電池廠的觀點：真正火災的蔓延與有機液體電解質直接相關。固態電解質從聚合物，到陶瓷電解質等，都可以在不同程度上改善電池的安全性。固態電池在安全性、能量密度兩方面，相較過去常規的傳統鋰離子電池都得到提升，前提是我們要有好的技術解決界面的問題，保證固體電解質能夠適應電池的設計，能夠滿足高比能量電池的要求。
我們認為固態電池確實在有些方面有優勢。當隔膜和電解液用固態物質取代后，它會有更高的安全性。當把整個體系的安全性閾值提高之后，這個體系可以采用高電勢正負極材料，如金屬鋰負極，未來也會有更高的能量密度。
目前的思路是，盡可能和現有的鋰電設備和鋰電工藝所兼容，把成本盡可能地降下去。由于固態電池具有高能量密度和高安全性，它可能在一些特殊情況先得到一些應用。
固態電池的能量密度優勢在電芯層面相對不夠明顯，到PACK層面更為突出。到2021年固態電池通過采用更高利用率的活性材料，在電芯層面的能量密度將與液態電池持平，然后逐步超越。
盡管國內海外專家對固態電池在能量密度、安全性等存在爭議，但他們基本上都認為，固態電池的研究室為了解決液態電池的一些不足，它的商業化應用是一個漫長的過程。因此固態電池可以先從摩托車、消費電子領域進行導入，待安全、性能、成本三個維度都成熟的條件下再進入電動汽車領域。
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