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锂电池热的"冷"思考:现今的电动汽车能快充吗?

发布时间:2018-10-21 11:23:32
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  8 月 20 日辽阳一辆电动汽车着火,8 月 23 日聊城发生电动火车着火事件,8 月 25 日成都威马汽车起火,8 月 26 日安徽铜陵一辆安凯电动客车着火……2018 年 5 月到 8 月,公开报道的电动汽车事故多达 16 起,其中事故原因判断为“充电自燃”就有 9 起,其他事故原因包括电池故障、电器元件短路、停放中自燃等等。新能源汽车进入发展高速期,技术突破和安全性上的挑战随之而来。

  新能源汽车主是指采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车,目前市面上最常见的是纯电动汽车和混合动力汽车。与普通汽车需要内燃机一样,电动汽车需要动力电池提供前进的能量,目前动力电池中最主要的类型是锂离子蓄电池。

  “遵循科学规律,不要盲目”、“先把安全可靠的技术发展起来”,在 10 月 17 日至 18 日北京举行的“中国宜春·2018 全球锂电产业链高峰论坛”上,来自学界业界的人士,纷纷就锂电池发展安全性的问题,如是呼吁。

  锂离子电池(Li-ion Battery)由锂电池(Lithium Battery)发展而来。锂电池在人们的生活中由来已久,比如纽扣电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是金属锂。电池组装完成后电池即有电压,不再充电。锂电池一般禁止充电,因为其充电放电过程中容易形成锂枝晶,造成电池内部短路。

  1992 年,日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂化合物作正极的电池,在充放电过程中,只有锂离子,没有金属锂存在,也就是现在的锂离子电池。此后,日本索尼能源开发公司和加拿大 Moli 能源公司分别研制成功了新型的锂离子蓄电池(以下简称“锂电池”)。目前锂电池已广泛用于各类手持式电子产品和电动汽车上。

  对于锂电池来说,性能好坏表现在两个指标上:一个是充放电倍率,代表了电池的充电速度;一个是能量密度,决定了一辆车能续航多少公里。然而,对这两项指标的盲目追求,很大程度上牺牲的是安全系数。

  “快速充电技术目前还没有出路”

  “这些着火的事件,至少有 60% 是在充电或充电刚刚结束的时候出的事,说明充电出了大问题。” 国家 863 电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬表示。

  锂电池在充电过程中,锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,正极负极不发生氧化反应。但是王子冬提出,现在充电的方法和使用过程充电都是用的氧化还原反应,不是锂电池遵循自身规律应该有的充电方法。此前王子冬团队的实验结果显示,使用现在的充电方法,大概能使电池寿命降低 30%。因此在这样的情况下,王子冬认为不应当考虑用大电流充电。

  锂电池的充放电倍率是指单位额定容量内的充放电电流,例如额定容量为 100Ah 的电池用 20A 充放电时,其充放电倍率就为 0.2C。一般锂电池充电电流设定在 0.2C 至 1C 之间,电流越大,充电越快,但同时电池发热现象也越严重。目前纯电动汽车的充电容量都是慢充化的,基本在 0.3C 到 0.5C 之间。另一方面,用过大的电流充电会造成容量不够满,这是因为电池内部的电化学反应需要时间。和倒啤酒的一样,倒太快会产生泡沫,反而倒不满。

  北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁介绍,今天的多元正极金属复合氧化物电池要实现 8 分钟充电,理论上大概要用 10C 的倍率才能做到,“这个能量不可想象”。

  这些技术瓶颈实际上并不是新问题,其鲁是中国锂电池研究领域的先锋人物之一,曾担任 2008 年奥运会清洁能源电动车用动力电池项目的首席科学家,早在北京奥运会时期,他们就针对各类问题做过各种实验。当时三元材料电池已经可以在 5 分钟内完成充电。在实验里,三元锂电池在快速充电的过程中,热量不能迅速释放,使得爆炸的可能性大大增加。考虑到安全问题,其鲁表示这种技术不能用到纯电动车上,只能用在电池混合动力车。

  此外,动力电池的快充还面临着一个非常现实的问题——城市的电力基本设施无法满足个需求。假设一辆公交车用的是 150kWh 的电池,需要 5 分钟来充电,一辆公交车就需要 100kW 供电能力,如果同时有几百辆上千辆公交车一起充电,会对电网造成很大的冲击。

  “今天的城市电网根本做不到这一点。”其鲁表示。

  目前,王子冬的团队正研究充电过程中根据电池特性调整充电方法,改了不同的充电方法后,普通标准充电法充 500 次的电池寿命,在新方法下可以做到充电 1000 次,有效减缓了电池的衰减。所以王子冬表示,即便有很多瓶颈,锂电池一定会有特别适合自己的充电方法。

  其鲁认为,现阶段最合适的是以车位为单位接线充电,两三个小时、五六个小时、甚至一个晚上,这是充电技术完全可以做到。通过先把安全可靠的充电方式发展起来,来推动电动汽车的稳步、安全、健康发展。

  能量密度与安全性是一对矛盾

  2018 年 2 月,财政部、工信部等四部委联合发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,取消了对续驶里程 150 公里以下纯电动车的补贴,对续驶里程超过 300 公里的纯电动车补贴则增至 3.4 万元,超过 400 公里的车型补贴增至 5 万元。

  美国加州大学戴维斯分校中国交通能源中心主任王云石分析,这意味着纯电动车在达到与汽油车类似的续驶里程后,续驶里程越长越好。新政策可能希望通过对动力电池系统能量密度的要求,来推进动力电池的发展。

  锂电池的能量密度(Wh/kg)是指单位重量的电池能储存的能量多少,主要由电池的材料特性决定。按普通铅酸电池的能量密度约为 40Wh/kg 计算,如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶 200 公里以上,则需要将近 1 吨的电池。因此把电池重量控制在一定范围的前提下,电池的能量密度越大,汽车的续航里程就越长。

  能量密度数值理应是越高越好,但电池是能量高度集中的小型装置,当更小体积里聚集更多能量时,如果使用不当,比如温度升高或突然遇到剧烈碰撞,其产生的后果甚至可以和炸弹相提并论。

  根据新能源研究院真锂研究发布的最新数据,2018 年 6 月份之后,120Wh/kg 的电池包的装机量占比达到了约 95%,而一年前的 6 月该比重仅为 7.3%。也就是说国内电池系统能量密度的进步数以“惊人的速度”远远超过了海外。

  2017-2018.8 中国电动汽车乘用车产量中不同能量密度电池包的装机占比  来源:真锂研究

  尽管在高能量密度电池包的装机数量有了极大提升,但如何平衡能量密度与安全性的问题尚未得到解决。

  “在今天,能量密度毫无疑问和电池安全性成反比,我们还没有解决好这个问题。” 其鲁表示。

  目前中国国内量产的锂电池,理论电芯能量密度在 300 到 400Wh。在这个上限尚无突破办法的情况下,可以通过减磨隔膜的方式,扩大材料空间,从而提高能量密度。隔膜的作用是使电池的正、负极分隔开来,防止两极接触而短路,并让电解质离子通过。

  “这是最简单,也是最危险的办法。”王子冬表示。

  王子冬介绍,此前他的研究团队了解过三星 Note7 的着火事件,检查发现三星 Note7 的电池使用的隔膜约在 45 微米到 46 微米左右厚,在使用同质材料的情况下,有些动力电池制造厂商甚至在考虑用 10 微米、8 微米厚的隔膜,在他看来这样的想法“很胆大”。

  由于电池制造过程当中避免不了掉颗粒的现象,实际隔膜都会带些细微的“工伤”,在材料没有突破的前提下,超薄的隔膜、可燃的电解液、加上暗流涌动的枝晶,若在这一环节铤而走险便会埋下爆炸隐患。

  “在没有掌握住锂电池的着火规律前,把控能量密度、安全性和寿命的平衡关系,是我们不能忽视的问题。”王子冬说。

  实际上,能量密度与安全性这一“鱼与熊掌”的问题,不仅困扰着中国的锂电池技术发展,同样也困扰着业内领先的韩国和日本。来自德意志证券韩国公司的分析师 Seunghoon Han 表示,目前没有哪家公司敢说其技术路线是完全确定的,但每个公司都认为他们的电池是最安全的。鉴于其他很多行业都通过标准化和规范化,引导解决了很多安全问题,如今锂电池行业发展面临的这些安全问题,或许也可以需要标准化来解决。而这些发展瓶颈期的问题,并不影响快充技术和提高能量密度依然是未来的技术发展方向。

  “只有将安全指标标准化、规范化之后,技术发展才会更容易确定哪些是更安全的,哪些是不安全的。”Han 表示。

  另一方面,高能量密度意味着需要高密度的材料,高密度的材料将会决定储存电能的大小。当一种材料能做到的厚度达到安全极限却还低于人们期望的时候,很多人将目光转向寻求新的材料。王子冬认为,如果没有材料上突破,突破高能量密度这一问题,将会在瓶颈期会停滞很长的时间,10 年或 50 年都有可能。

  而对于最近很火的石墨烯、纳米材料等,其鲁却并不看好。他表示,包括此前使用的硫酸亚铁锂在内,这些材料实际上都是低密度材料,而三元材料多元材料等密度则高很多,未来甚至还能将密度做得更高。

  “从材料角度看,石墨烯导电性能好,但由材料推导到电池再推导到电动车上,概念能一样吗?”其鲁说,“纳米材料在这个领域当中不会有什么具体应用。”

  不管是快充还是高能量密度,其鲁认为一定要戒骄戒躁、保持警惕,尤其对类似固态锂电池这类能保证能量密度、使用又安全的技术,在没有很好电导率的电解质材料出现之前,对这类电池的产业化不应抱有太多期望。

  “我们还是要全力以赴发展出我们可行的技术,我认为最重要的是我们‘明天的技术’。”其鲁表示。

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