为何电动汽车只起火不爆炸，权威专家解析电池热失控原因
来源：宝鄂实业
2019-03-18 12:39
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当锂离子电池温度过高或充电电压过高时，会引发很多潜在的放热副反应，这些热量如果得不到疏散，就会引起电池温度和压力急剧上升，最后导致电池热失控。
电池发生热失控时，由于正极在电池中所占的质量比大，其放出的热量也最大，因此不同正极的锂离子电池安全性不一样。
由于负极表面SEI膜不稳定，当温度达到120-140度时候，会首先发生热分解。SEI膜分解会使得负极裸露，直接与电解液接触，发生剧烈的还原反应，并放出大量可燃性气体，同时释放出大量的热。
热量会促使电池温度进一步上升，当达到180-200度时候，正极开始发生分解。
正极分解过程中会释放原子态的氧，原子态的氧来不及负荷，活性很高，它会直接导致电解液剧烈氧化分解，产生巨大的热量，短时间内造成电池内部大量热量的积累。
当电池的散热低于产热，温度就会升高，反应的速度也会呈指数性增大，电池会进入没法控制的自加温状态，即发生热失控。
需要进一步指出，因为电动汽车一般都有安全阀，当电池压力达到6-8个大气压的时会泄压。在泄压过程中，电解液的闪点很低（十几度到三十多度），电解液蒸汽在喷出时，跟安全阀的摩擦足以导致电池燃烧，这就是为什么电动汽车一般发生起火而不爆炸的原因。
一般认为热失控的起发原因，第一个反应是负极的热失控，但是对三元来说，它有可能是正极先发生热失控，然后负极再发生热失控。
短路和过充是引起电池温升，最后引发电池热失控的原因。
首先是短路，隔膜和电极表面的导电粉尘，正负极发生错位，极片毛刺，电解液分布不均导致局部析锂等，会导致短路；
其次，正极材料中含有一定的金属杂质，在充电的时候，金属杂质会对正极发生氧化溶解，溶解在电解液中的金属离子，会在负极发生还原反应而沉积在负极表面上，会导致电池的短路。
对于过充，大量的充电会导致局部过充，因为极片表面电流分布并不均匀，电流越大，它的不均匀分布越大，有可能局部过充。
极片涂层，电解液分布不均，电极间距不均，都会引起电流分布不均和局部过充。
在循环过程中，正极的性能衰竭过快，加上正极的容量少了，也会导致过充。BMS死机或者功能障碍，或者充电继电器不能正常工作，这些都会导致过充。
电池热失控发展过程
电池发生热失控是一个长时间的过程，首先单体因为短路等原因引起热失控，导致整个模块的热失控，模块热失控又引起临界模块的热失控，这样传递下去，最后导致整个系统的热失控
磷酸铁锂材料厂商面临困境的原因，主要在于新能源汽车市场的增量已由客车切换为乘用车，补贴政策导向及乘用车本身对高能量密度的追求，使得能量密度不够高的磷酸铁锂动力电池市场占比萎缩。同时，发展可期的储能领域短期难以起量。
为应对电池技术路线的切换，比亚迪、国轩高科等动力电池头部企业进行两手准备，提升磷酸铁锂性能的同时，蓄力发展三元电池。
对于三元电池原材料价格上涨，磷酸铁锂电池能否收复乘用车失地的问题仍存在争议。争论的焦点一是提高磷酸铁锂能量密度会否引发安全问题；二是补贴政策退出后，磷酸铁锂会否因为价格优势重新崛起。
受挫乘用车市场
对磷酸铁锂材料厂而言，最大困境在于客车市场销售增速放缓，而储能领域难以短期上量。同时，受制于磷酸铁锂电池本身能量密度的短板，无法抓住乘用车这一高速增长的市场。
真锂研究的数据显示，2018年前三季度，在29.5GWh的动力电池总装机量中，EV乘用车市场前3季度累计装机16.1GWh，占比达54.4％，排名第一。单看今年9月的数据，电动乘用车实现装机3.31GWh，比去年的总和还多，同比增长高达165.6％。
“以前是得电动客车者得天下，现在是得电动乘用车者得天下。”墨柯说。
今年前三季度，在电动乘用车16.06GWh的总装机量中，13.98GWh采用三元电池，占比约为87％；而磷酸铁锂电池占比仅12％。“还有少数乘用车在用磷酸铁锂电池。比如，不追求高续航、用于城市通勤的乘用车，或者低速车。”天风证券分析师杨藻指出。
磷酸铁锂电池和三元电池能量密度差距有多大？“目前磷酸铁锂单体电芯能量密度约在140-150Wh/kg，电池系统能量密度约为110－120Wh/kg。而常见的三元电池单体电芯为200Wh/kg，系统能量密度约在140Wh/kg。”罗焕塔告诉中国证券报记者。
为何高能量密度成为电池厂、车企竞逐的目标？一方面受补贴政策引导。根据2018年6月实施的补贴新政，电池系统能量密度补贴门槛由2017年的90Wh/kg提升105Wh/kg，105（含）-120Wh/kg的车型按0.6倍补贴，120（含）-140Wh/kg的车型按1倍补贴，140（含）-160Wh/kg的车型按1.1倍补贴，160Wh/kg及以上的车型按1.2倍补贴。换言之，搭载磷酸铁锂电池的乘用车只能拿到0.6倍或1倍的补贴，而三元电池一般而言至少能拿到1倍以上补贴。
另一方面，对于乘用车而言，系统能量密度高低至关重要。电池的能量密度指的是电池平均单位体积或质量所释放出的电能，会影响到车辆的续航里程。“举个例子，200公斤电池包，如果能量密度是140Wh/kg，200KG可以装28度电。如果能量密度是120Wh/kg，200KG可以装24度电。这对乘用车而言很要命，因为乘用车内部空间有限，整体结构设计中只有200公斤左右的重量留给电池包，装28度电当然比24度电跑得更远。”墨柯告诉记者。
头部磷酸铁锂电池厂正在努力补足这一短板。比亚迪相关人士向中国证券报记者透露，目前公司磷酸铁锂电池系统层面能量密度最高可以做到140wh/kg。
国轩高科今年9月接受机构调研时表示，已完成了磷酸铁锂单体能量密度由170Wh/kg向180Wh/kg产线升级改造。接近三元523的性能指标，且能满足新能源汽车300公里以上的续航里程。同时计划2019年将磷酸铁锂单体电芯能量密度最高提升至接近200Wh/kg。
头部企业尤其是早期技术路线偏向磷酸铁锂的企业多在进行两手准备，提升磷酸铁锂技术路线的同时，蓄力发展三元电池。
上述比亚迪相关人士指出，目前比亚迪商用车和E6仍然在使用磷酸铁锂电池，乘用车今年已经全部换装三元电池。2018年，比亚迪在青海新增了24GWh的三元电池产能，加上截至2017年底16Gwh的总产能（其中6Gwh是三元电池，10Gwh是磷酸铁锂电池），预计2019年年底动力电池总产能达40Gwh。
国轩高科表示，正全力推进三元电池开发及投产，已完成原有两条111产线升级为三元622产线的改造，并已稳定、批量向客户供货。同时新建的4GWH升级版三元产线，已经完成一条产线的打通，预计四季度供货。
“以前走磷酸铁锂路线的中小电池厂要转换三元路线就没那么容易。一来原来上游供应商的关系都在磷酸电池体系上，要重新建立三元体系比较困难；二来还要与现有电池厂在客户资源上展开竞争。”墨柯指出。
能否收复失地
磷酸铁锂能否收复乘用车市场失地，首要问题是提高磷酸铁锂能量密度会否引发安全问题。
“虽然能将磷酸铁锂单体电芯能量密度做到180Wh/kg以上，但多数还处于小试或者中试阶段，未大批量上市，还需要进一步验证产品的稳定性和可靠性。”罗焕塔指出。
墨柯强调，磷酸铁锂极致追逐能量密度或引发安全问题。一般来说，单体电芯单位空间聚集的能量越多，瞬间爆发出来的危害性越大，安全性越低。由于磷酸铁锂电池能量密度普遍低于三元电池，安全性相对高一些。
“与三元电池通过提高单体电芯提升能量密度不同，磷酸铁锂电池提高能量密度的方式主要是提高电池整体成组效率。”墨柯强调，这里面潜藏危险。电池成组效率越高，意味着其中安全部件减少。一般来说，磷酸铁锂电池成组效率80％属于正常水平，现在有些厂家已经做到90％以上。
另一个争议的焦点是补贴政策退出后，磷酸铁锂会否因为价格优势实现逆袭？
国轩高科接受机构调研时表示，随着补贴退坡，磷酸铁锂的低成本、长寿命、高安全性等优势在乘用车领域将逐渐突显。
今年8月26日，比亚迪董事长王传福接受中国证券报记者关于“怎么看待磷酸铁锂电池和三元电池的技术路线之争”的提问时表示，两种电池都很重要，未来将根据不同的情况进行应用。
“比如，商用车、大巴、卡车更多采用磷酸铁锂电池，轿车、乘用车使用三元电池更多一些。如果三元电池原料价格持续上涨，一些低端乘用车、对价格很敏感的车辆可能重新采用磷酸铁锂电池。成本上涨不利于三元电池发展。未来电池路线由成本、技术多方面平衡后形成的市场决定。”
杨藻认为，即使补贴退出，乘用车追求高能量密度总体趋势还是不会改变。“这是市场决定的。一方面消费者对续航能力有要求；另一方面能量密度越高，车辆装载的电池越少。现在很多整车装了电池后，车内空间大大减小，导致后备箱空间缩减或者后排座椅突出。”
