易失控的鋰離子電池
鋰離子電池對(duì)于大眾而言并不陌生，2019年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位對(duì)鋰離子電池發(fā)明和發(fā)展具有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家與工程師。
一般來(lái)說(shuō)，一塊鋰離子電池的內(nèi)部大概分為三層，負(fù)極-電解液-正極，電流從正極流向負(fù)極。為了產(chǎn)生電流，需要將鋰離子電池中的鋰原子與電子分開(kāi)，通過(guò)迫使電子的移動(dòng)從而產(chǎn)生電流。具體來(lái)說(shuō)，鋰離子電池中有兩條通路，一條是分隔開(kāi)正負(fù)兩極的聚丙烯、聚乙烯的多孔隔膜，這類(lèi)多孔隔膜類(lèi)似口罩中的熔噴層，可以透過(guò)鋰離子，但會(huì)阻隔電子。而另一條路則是給電子通過(guò)，用以產(chǎn)生電流。
當(dāng)我們給一塊電量為0的鋰離子電池充電時(shí)，氧化鋰會(huì)變成鋰離子和電子，由于電子不能通過(guò)電解液，只能通過(guò)外電路流向負(fù)極，而鋰離子可以從電解液中穿過(guò)，并儲(chǔ)存在負(fù)極的石墨里，當(dāng)所有的鋰都跑到負(fù)極，電池就充電完畢。相反，如果將充電的電源換成負(fù)載，電子便會(huì)通過(guò)外電路流向正極，與重新穿過(guò)電解液的鋰離子在正極匯合，變成鋰氧化物，放電結(jié)束。
說(shuō)到這里，感覺(jué)鋰離子電池的充放電過(guò)程非常正常，貌似沒(méi)有會(huì)出問(wèn)題的地方。其實(shí)不然，問(wèn)題就出在電池的電解液之中。由于鋰是最活潑的金屬之一，這要求鋰離子電池內(nèi)部不能使用水作為電解質(zhì)溶劑，那么電池內(nèi)部鋰離子的運(yùn)輸，只能依賴(lài)醚類(lèi)、酯類(lèi)等有機(jī)溶劑。這類(lèi)電解液容易在高溫下蒸發(fā)，與氧氣形成化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒或電池短路。雖然科學(xué)家們?cè)谡?fù)極之間插入了一層微孔膜，只允許鋰離子通過(guò)，比電解液更耐高溫。但如果溫度升高到某種程度或是電池遭受劇烈撞擊，隔膜也會(huì)產(chǎn)生破裂，從而導(dǎo)致電池短路，發(fā)生燃燒。
熱失控與電失控
講完了鋰離子電池的構(gòu)造原理，與可能發(fā)生電池短路的原因，我們可以發(fā)現(xiàn)，可以將鋰離子電池的意外失控分為兩類(lèi)，熱失控和電失控。
所謂熱失控，是指電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高。造成熱失控的原因很多，主要是由于電池內(nèi)部短路。短路電流會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得有機(jī)電解液分解-電池鼓包-最終電池破裂-自燃-爆炸。幾年前報(bào)道出來(lái)的三星Note 7手機(jī)的幾起事故，就是由于電池內(nèi)部金屬毛刺或隔膜破裂，進(jìn)而引發(fā)短路而造成的。
在非撞擊的情況下，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)或材料的缺陷也可能會(huì)導(dǎo)致熱失控。例如正極、負(fù)極的金屬極片可能存在一些切割、加工所造成的鋒利凸起，會(huì)劃傷脆弱的隔膜，從而導(dǎo)致電池持續(xù)性?xún)?nèi)短路，最終引發(fā)電池?zé)崾Э兀灰嗷蛘呷绻姵夭牧嫌须s質(zhì)，造成鋰離子沉積在電極材料表面，就會(huì)產(chǎn)生尖銳的鋰枝晶，刺破隔膜而熱失控。而各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)受到撞擊之后，如果電池被穿刺，也會(huì)造成電池內(nèi)部短路從而失火爆炸。
如果說(shuō)熱失控是電池內(nèi)部缺陷或外界意外導(dǎo)致的，而電失控往往來(lái)自于人為因素。在電池充電時(shí)，如果電池已經(jīng)被完全充電，但電路控制系統(tǒng)并沒(méi)有結(jié)束充電過(guò)程，或者放緩充電速度，將會(huì)使得電池過(guò)度充電，產(chǎn)生電失控。
一種情況是已經(jīng)沒(méi)有鋰離子可以繼續(xù)遷移到負(fù)極從而沉積，那么電池內(nèi)部的有機(jī)電解液將在電極上分解，從而產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池鼓包、爆炸。另一種是過(guò)度充電。當(dāng)電池充滿時(shí)，還有自由鋰離子可以遷移至負(fù)極，而負(fù)極的石墨已經(jīng)被填滿，此時(shí)鋰離子只能沉積在石墨外側(cè)析出鋰金屬單質(zhì)。鋰金屬單質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生枝晶，從而刺穿隔膜，引發(fā)熱失控，最終導(dǎo)致電池自燃、爆炸。
電池安全，廠商們各顯神通
分析完了新能源汽車(chē)電池可能出現(xiàn)問(wèn)題的原因，那么目前的技術(shù)能夠保障車(chē)輛安全嗎？主流大廠們又是如何處理電池?zé)崾Э貑?wèn)題的呢？事實(shí)上，廠商們的努力大體可以分為兩個(gè)方面：主動(dòng)安全技術(shù)和被動(dòng)安全技術(shù)。
主動(dòng)安全技術(shù)，是指動(dòng)力電池本身的質(zhì)量要過(guò)硬，電芯設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)沒(méi)有缺陷，電池的排布合理等等。例如當(dāng)汽車(chē)電池進(jìn)行放電時(shí)，由于溫度提升非?？?，需要采用主動(dòng)的冷卻降溫技術(shù)。上汽通用的做法便是給電池包加裝液冷系統(tǒng)，從而對(duì)整塊電池包散熱。同時(shí)也在電芯之間設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的隔熱墻，從而降低電芯間的熱量傳遞。
除此之外，部分研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)的大廠會(huì)獨(dú)創(chuàng)性地發(fā)明新型技術(shù)，來(lái)主動(dòng)保障電池自身的安全，這其中比亞迪的刀片電池必然是不可忽視的存在。作為一種新型的動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)，它將單體電池壓縮到極致，提高了空間利用率和安全性。刀片電池可以有效防止短路、過(guò)熱、穿刺等故障，即使在極端情況下也不會(huì)發(fā)生爆炸。無(wú)論哪種，這樣將電池內(nèi)部可能出現(xiàn)的漏洞都考慮到并對(duì)癥下藥，從而保障電池本身的質(zhì)量安全，便是主動(dòng)安全技術(shù)所需考慮的部分。
與之對(duì)應(yīng)的，被動(dòng)安全技術(shù)便是將動(dòng)力電池的外部做層層加固，從而保障電池安全。例如吉利發(fā)布的“神盾電池安全系統(tǒng)“，是一套基于電池，同時(shí)融合了架構(gòu)、整車(chē)、智控、云端安全的“無(wú)盲區(qū)”安全防護(hù)系統(tǒng)。
而沃爾沃則是在電池系統(tǒng)的感應(yīng)器之間都采用了可靠的硬線連接，能夠抵御電磁干擾，避免信號(hào)丟失，從而降低熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)城汽車(chē)自主研發(fā)的大禹電池技術(shù)，則在電池結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，可以讓電池包抗住最高1037°C高溫不失控，保障電池正常使用周期內(nèi)不起火、不爆炸，為新能源用車(chē)提供更高的安全保障。
總結(jié)
作為鋰電池的消費(fèi)大戶(hù)，新能源汽車(chē)的電池安全問(wèn)題已然成為消費(fèi)者買(mǎi)車(chē)時(shí)最為看重的因素，而之前屢屢發(fā)生的純電車(chē)自燃、碰撞后起火的新聞更是加重了用戶(hù)的擔(dān)心。作為新能源汽車(chē)最為昂貴且最難維修的部分，電池技術(shù)必然傾注了主機(jī)廠以及動(dòng)力電池供應(yīng)商的所有研發(fā)心血。相信通過(guò)對(duì)于電池安全技術(shù)的重視，新能源汽車(chē)定會(huì)更加穩(wěn)定，讓消費(fèi)者更加放心地去購(gòu)買(mǎi)使用。
