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想讓鋰離子電池增“量”不增“危”，還要攻克很多難題。
11月2日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021~2035年）》，明確指出，到2035年，純電動(dòng)汽車將成為新銷售車輛的主流。
然而，近一個(gè)月以來，多起純電動(dòng)汽車自燃事件，也讓公眾對(duì)其安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。不久前，一輛停放于北京市北四環(huán)附近的威馬電動(dòng)汽車就在未充電的狀態(tài)下突然爆炸，威馬汽車回應(yīng)稱，初步調(diào)查系電池問題。
作為二次電池“王者”的鋰離子電池，為何頻頻“王炸”？中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，“電池從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到裝車、運(yùn)行、報(bào)廢，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能引起新能源汽車起火爆炸。”
如何讓電池?fù)碛懈吣芰棵芏鹊耐瑫r(shí)又更加安全？近日，《自然—能源》發(fā)布的一項(xiàng)研究成果引起了記者的注意——美國斯坦福大學(xué)教授崔屹團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新型集流體，在熱失控起火的情況下，嵌入的阻燃劑得以釋放，從而有效阻止電池繼續(xù)燃燒，使鋰離子電池變得更安全。
不過，要想讓鋰離子電池增“量”不增“危”，未來還有很多難題需要攻克。
能量密度增加為何難？
續(xù)航里程是新能源汽車之間較量的關(guān)鍵“砝碼”，增加鋰電池能量密度是緩解里程焦慮“痛點(diǎn)”的重要環(huán)節(jié)，然而增加鋰電池能量密度并非易事。
崔屹團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種厚度約為9微米的輕型聚酰亞胺基集流體，用于替換現(xiàn)有的金屬集流體。這種新型集流體為三明治結(jié)構(gòu)，中間層是嵌入阻燃劑的有機(jī)物支撐膜，外層是約500納米厚的金屬層。
研究表示，這種新型集流體面密度比目前最輕的銅箔的面密度還要低，采用這種新型集流體可以最多提高26%的電池能量密度，并在熱失控起火的情況下，釋放阻燃劑，阻止電池繼續(xù)燃燒，降低電池燃燒的危險(xiǎn)性。
李泓解釋稱，電池的理論能量密度由電池的電壓和單位質(zhì)量或單位體積的電池釋放出的容量決定。但是電池除了提供能量的正極和負(fù)極材料，還包含保證電池工作所需要的電解液、隔膜、集流體、外殼，而電池包外殼和散熱管等其他組件部分并不提供能量，因此電池的實(shí)際能量密度還需要乘以活性物質(zhì)的占比。
在李泓看來，提高鋰電池能量密度主要有三種途徑。一是提高電池的工作電壓，包括降低負(fù)極的電位和提高正極的電位。“我們的研究證明，通過Ti/Mg/Al三元素痕量共摻雜，可以顯著提升鈷酸鋰材料在4.6V高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。”
二是提高電池材料的比容量，例如負(fù)極從石墨到硅碳負(fù)極再到未來的含鋰負(fù)極，正極從較低容量的磷酸鐵鋰邁向高鎳層狀正極材料，均旨在得到更高的電池比容量。此外，還可以通過降低電池內(nèi)部非活性物質(zhì)的占比來提高鋰電池能量密度。
然而，在李泓看來，“動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展至今，以上三種思路的技術(shù)發(fā)展均已深入到一定程度，對(duì)于現(xiàn)有的體系，進(jìn)一步提高正極材料的電壓和容量還面臨著愈發(fā)嚴(yán)重的安全問題”。
他表示，在電芯層面上提高能量密度的主要難點(diǎn)是能量密度與安全性等其他指標(biāo)的平衡，這需要材料層面的進(jìn)一步創(chuàng)新，例如引入固態(tài)電解質(zhì)等。在系統(tǒng)層面，動(dòng)力電池依然有較大的創(chuàng)新空間以降低系統(tǒng)層級(jí)的非活性物質(zhì)，提供系統(tǒng)的能量密度。
電池安全為何失控？
對(duì)于此次威馬汽車爆炸事件，該公司在后續(xù)的召回公告中指出，本次召回范圍內(nèi)的車輛由于電芯供應(yīng)商在生產(chǎn)過程中混入了雜質(zhì)，導(dǎo)致動(dòng)力電池產(chǎn)生異常析鋰。極端情況下可能導(dǎo)致電芯短路，引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э夭a(chǎn)生起火風(fēng)險(xiǎn)，存在安全隱患。
值得關(guān)注的是，電池供應(yīng)商中興高能技術(shù)有限公司則聲稱，當(dāng)日自燃車輛搭載的并非高能技術(shù)的電池。
“采用多個(gè)供應(yīng)商的電池，需要充分模擬不同供應(yīng)商提供產(chǎn)品的整個(gè)產(chǎn)品生命周期，采用完善的測(cè)試驗(yàn)證手段驗(yàn)證電池、電池組、電池包等所有可能出現(xiàn)的失效行為，建立高于市場(chǎng)要求的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)才能在車企環(huán)節(jié)降低電池起火的事故概率。”李泓強(qiáng)調(diào)，“對(duì)于電池供應(yīng)商而言，高精度的生產(chǎn)制造和電池的高一致性是避免電池發(fā)生安全問題的重點(diǎn)。”
李泓進(jìn)一步解釋道，電池單體發(fā)熱、起火，甚至爆炸分為內(nèi)因和外因。從內(nèi)因來看，可能是由電池設(shè)計(jì)和制造引起的自身缺陷，如極片邊緣錯(cuò)位、隔膜存在瑕疵、涂布時(shí)極片上混入灰塵雜質(zhì)等造成。從外因來看，可能是由機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用造成。
此外，電池發(fā)生熱失控的現(xiàn)象也分為內(nèi)部反應(yīng)和外部反應(yīng)。對(duì)于電池內(nèi)部反應(yīng)，當(dāng)電池溫度達(dá)到大約70攝氏度時(shí)，電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)會(huì)使自身溫度持續(xù)升高，如果在電池自放熱的早期沒有使其冷卻，那么電池自身溫度將會(huì)一直升高直至臨界條件，進(jìn)而發(fā)生熱失控。
對(duì)于電池?zé)崾Э氐耐獠糠磻?yīng)，當(dāng)電池內(nèi)部溫度超過電解液溶劑的沸點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電解液的噴發(fā)，而噴射至外部的電解液極易燃燒，對(duì)于采用雙溶劑的電池，會(huì)出現(xiàn)二次噴發(fā)的過程，即產(chǎn)生電池火焰熄滅后的“復(fù)燃”現(xiàn)象。
“值得注意的是，電池?zé)崾Э?、燃燒、爆炸是逐步遞進(jìn)的，電池內(nèi)部自放熱的反應(yīng)可直接發(fā)生熱失控，但并不一定導(dǎo)致燃燒，燃燒由于外部的氧氣參與。而爆炸則是需要在密閉的空間內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生大量氣體，其發(fā)生條件比燃燒更為苛刻。一般而言，電芯通過氣閥的設(shè)計(jì)能夠?qū)㈦姵責(zé)崾Э禺a(chǎn)生的氣體有效排除，避免發(fā)生爆炸。”李泓表示。
未來瓶頸如何破？
“實(shí)際上，鋰離子電池的性能指標(biāo)包括質(zhì)量能量密度、體積能量密度、循環(huán)性、充放電速率、高低溫適應(yīng)性、安全性等多種指標(biāo)。”在李泓看來，未來鋰離子電池的發(fā)展還需要在多方面“深耕”。
從基礎(chǔ)科學(xué)角度，需要對(duì)電池內(nèi)的材料結(jié)構(gòu)演化行為、體積與應(yīng)力變化等機(jī)械行為、離子與電子的輸運(yùn)行為、電池組分與材料之間的熱穩(wěn)定性和熱行為、內(nèi)部界面的化學(xué)電化學(xué)反應(yīng)有更深層次的理解，需要多尺度、跨學(xué)科的交叉合作。
從技術(shù)研發(fā)角度，需要平衡現(xiàn)有體系的能量密度、安全性和壽命等多重指標(biāo)，采用精準(zhǔn)摻雜與包覆、預(yù)鋰化、電解液添加劑等技術(shù)提高電池的綜合性能，加強(qiáng)系統(tǒng)層級(jí)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。
從工業(yè)制造角度，保證電芯高度一致性是電池組安全的重要前提，企業(yè)要逐漸引入智能制造、數(shù)字化工廠等技術(shù)，讓電池制造達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)。
“科研工作者需要更深入地理解工業(yè)界對(duì)電池的要求，在測(cè)試過程中，盡量使測(cè)試樣品的準(zhǔn)備和測(cè)試條件接近工業(yè)產(chǎn)品，從而提高研究成果的實(shí)用化價(jià)值。”李泓說。
11月2日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021~2035年）》，明確指出，到2035年，純電動(dòng)汽車將成為新銷售車輛的主流。
然而，近一個(gè)月以來，多起純電動(dòng)汽車自燃事件，也讓公眾對(duì)其安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。不久前，一輛停放于北京市北四環(huán)附近的威馬電動(dòng)汽車就在未充電的狀態(tài)下突然爆炸，威馬汽車回應(yīng)稱，初步調(diào)查系電池問題。
作為二次電池“王者”的鋰離子電池，為何頻頻“王炸”？中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，“電池從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到裝車、運(yùn)行、報(bào)廢，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能引起新能源汽車起火爆炸。”
如何讓電池?fù)碛懈吣芰棵芏鹊耐瑫r(shí)又更加安全？近日，《自然—能源》發(fā)布的一項(xiàng)研究成果引起了記者的注意——美國斯坦福大學(xué)教授崔屹團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新型集流體，在熱失控起火的情況下，嵌入的阻燃劑得以釋放，從而有效阻止電池繼續(xù)燃燒，使鋰離子電池變得更安全。
不過，要想讓鋰離子電池增“量”不增“危”，未來還有很多難題需要攻克。
能量密度增加為何難？
續(xù)航里程是新能源汽車之間較量的關(guān)鍵“砝碼”，增加鋰電池能量密度是緩解里程焦慮“痛點(diǎn)”的重要環(huán)節(jié)，然而增加鋰電池能量密度并非易事。
崔屹團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種厚度約為9微米的輕型聚酰亞胺基集流體，用于替換現(xiàn)有的金屬集流體。這種新型集流體為三明治結(jié)構(gòu)，中間層是嵌入阻燃劑的有機(jī)物支撐膜，外層是約500納米厚的金屬層。
研究表示，這種新型集流體面密度比目前最輕的銅箔的面密度還要低，采用這種新型集流體可以最多提高26%的電池能量密度，并在熱失控起火的情況下，釋放阻燃劑，阻止電池繼續(xù)燃燒，降低電池燃燒的危險(xiǎn)性。
李泓解釋稱，電池的理論能量密度由電池的電壓和單位質(zhì)量或單位體積的電池釋放出的容量決定。但是電池除了提供能量的正極和負(fù)極材料，還包含保證電池工作所需要的電解液、隔膜、集流體、外殼，而電池包外殼和散熱管等其他組件部分并不提供能量，因此電池的實(shí)際能量密度還需要乘以活性物質(zhì)的占比。
在李泓看來，提高鋰電池能量密度主要有三種途徑。一是提高電池的工作電壓，包括降低負(fù)極的電位和提高正極的電位。“我們的研究證明，通過Ti/Mg/Al三元素痕量共摻雜，可以顯著提升鈷酸鋰材料在4.6V高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。”
二是提高電池材料的比容量，例如負(fù)極從石墨到硅碳負(fù)極再到未來的含鋰負(fù)極，正極從較低容量的磷酸鐵鋰邁向高鎳層狀正極材料，均旨在得到更高的電池比容量。此外，還可以通過降低電池內(nèi)部非活性物質(zhì)的占比來提高鋰電池能量密度。
然而，在李泓看來，“動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展至今，以上三種思路的技術(shù)發(fā)展均已深入到一定程度，對(duì)于現(xiàn)有的體系，進(jìn)一步提高正極材料的電壓和容量還面臨著愈發(fā)嚴(yán)重的安全問題”。
他表示，在電芯層面上提高能量密度的主要難點(diǎn)是能量密度與安全性等其他指標(biāo)的平衡，這需要材料層面的進(jìn)一步創(chuàng)新，例如引入固態(tài)電解質(zhì)等。在系統(tǒng)層面，動(dòng)力電池依然有較大的創(chuàng)新空間以降低系統(tǒng)層級(jí)的非活性物質(zhì)，提供系統(tǒng)的能量密度。
電池安全為何失控？
對(duì)于此次威馬汽車爆炸事件，該公司在后續(xù)的召回公告中指出，本次召回范圍內(nèi)的車輛由于電芯供應(yīng)商在生產(chǎn)過程中混入了雜質(zhì)，導(dǎo)致動(dòng)力電池產(chǎn)生異常析鋰。極端情況下可能導(dǎo)致電芯短路，引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э夭a(chǎn)生起火風(fēng)險(xiǎn)，存在安全隱患。
值得關(guān)注的是，電池供應(yīng)商中興高能技術(shù)有限公司則聲稱，當(dāng)日自燃車輛搭載的并非高能技術(shù)的電池。
“采用多個(gè)供應(yīng)商的電池，需要充分模擬不同供應(yīng)商提供產(chǎn)品的整個(gè)產(chǎn)品生命周期，采用完善的測(cè)試驗(yàn)證手段驗(yàn)證電池、電池組、電池包等所有可能出現(xiàn)的失效行為，建立高于市場(chǎng)要求的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)才能在車企環(huán)節(jié)降低電池起火的事故概率。”李泓強(qiáng)調(diào)，“對(duì)于電池供應(yīng)商而言，高精度的生產(chǎn)制造和電池的高一致性是避免電池發(fā)生安全問題的重點(diǎn)。”
李泓進(jìn)一步解釋道，電池單體發(fā)熱、起火，甚至爆炸分為內(nèi)因和外因。從內(nèi)因來看，可能是由電池設(shè)計(jì)和制造引起的自身缺陷，如極片邊緣錯(cuò)位、隔膜存在瑕疵、涂布時(shí)極片上混入灰塵雜質(zhì)等造成。從外因來看，可能是由機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用造成。
此外，電池發(fā)生熱失控的現(xiàn)象也分為內(nèi)部反應(yīng)和外部反應(yīng)。對(duì)于電池內(nèi)部反應(yīng)，當(dāng)電池溫度達(dá)到大約70攝氏度時(shí)，電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)會(huì)使自身溫度持續(xù)升高，如果在電池自放熱的早期沒有使其冷卻，那么電池自身溫度將會(huì)一直升高直至臨界條件，進(jìn)而發(fā)生熱失控。
對(duì)于電池?zé)崾Э氐耐獠糠磻?yīng)，當(dāng)電池內(nèi)部溫度超過電解液溶劑的沸點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電解液的噴發(fā)，而噴射至外部的電解液極易燃燒，對(duì)于采用雙溶劑的電池，會(huì)出現(xiàn)二次噴發(fā)的過程，即產(chǎn)生電池火焰熄滅后的“復(fù)燃”現(xiàn)象。
“值得注意的是，電池?zé)崾Э?、燃燒、爆炸是逐步遞進(jìn)的，電池內(nèi)部自放熱的反應(yīng)可直接發(fā)生熱失控，但并不一定導(dǎo)致燃燒，燃燒由于外部的氧氣參與。而爆炸則是需要在密閉的空間內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生大量氣體，其發(fā)生條件比燃燒更為苛刻。一般而言，電芯通過氣閥的設(shè)計(jì)能夠?qū)㈦姵責(zé)崾Э禺a(chǎn)生的氣體有效排除，避免發(fā)生爆炸。”李泓表示。
未來瓶頸如何破？
“實(shí)際上，鋰離子電池的性能指標(biāo)包括質(zhì)量能量密度、體積能量密度、循環(huán)性、充放電速率、高低溫適應(yīng)性、安全性等多種指標(biāo)。”在李泓看來，未來鋰離子電池的發(fā)展還需要在多方面“深耕”。
從基礎(chǔ)科學(xué)角度，需要對(duì)電池內(nèi)的材料結(jié)構(gòu)演化行為、體積與應(yīng)力變化等機(jī)械行為、離子與電子的輸運(yùn)行為、電池組分與材料之間的熱穩(wěn)定性和熱行為、內(nèi)部界面的化學(xué)電化學(xué)反應(yīng)有更深層次的理解，需要多尺度、跨學(xué)科的交叉合作。
從技術(shù)研發(fā)角度，需要平衡現(xiàn)有體系的能量密度、安全性和壽命等多重指標(biāo)，采用精準(zhǔn)摻雜與包覆、預(yù)鋰化、電解液添加劑等技術(shù)提高電池的綜合性能，加強(qiáng)系統(tǒng)層級(jí)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。
從工業(yè)制造角度，保證電芯高度一致性是電池組安全的重要前提，企業(yè)要逐漸引入智能制造、數(shù)字化工廠等技術(shù)，讓電池制造達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)。
“科研工作者需要更深入地理解工業(yè)界對(duì)電池的要求，在測(cè)試過程中，盡量使測(cè)試樣品的準(zhǔn)備和測(cè)試條件接近工業(yè)產(chǎn)品，從而提高研究成果的實(shí)用化價(jià)值。”李泓說。
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