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电池知识

电动汽车起火动力电池问题是主要原因吗?那么如何提高能量密度呢?

来源:宝鄂实业    2019-04-15 14:40    点击量:

在杭州举行的全球未来出行大会上,汽车业内对目前的电动汽车安全问题进行了深入分析。据不完全统计,今年,仅公开报道的电动车起火事件就高达近20起。

 

中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高认为,电动汽车起火事故主要是产品质量问题。产品质量问题就是指产品在设计、制造、验证、使用过程中没有严格遵守相关技术标准和规范,主要包括三类:第一是电池产品测试验证不足;第二是车辆使用过程中可靠性变化;第三是充电安全管理技术有问题。

 

动力电池问题是电动汽车起火主要诱因。欧阳明高表示:“近些年,国外电动汽车起火的原因主要源于碰撞,而国内电动汽车起火主要有几个特征:一是以三元电池为主,数量超过一半;二是以圆柱形电池为主,因为这种类型电池是钢壳,包裹得比较紧,一旦发生热失控就会爆炸;三是充电失火的事故占比比较大。”

 

过去几年,在国家大力扶持下,新能源汽车产业取得了快速发展。数据显示,去年,新能源汽车生产了79.4万辆,产量已占到当年汽车总产量的2.7%,近五年年均复合增长率达130%,连续三年的产销量居世界第一,占全球市场保有量的50%以上。今年前8月,新能源汽车的产销分别完成了60.7万辆和60.1万辆,同比分别增长75.4%和88%。

 

行业内权威人士提醒,在取得成绩的同时,也要清醒地看到我国新能源汽车产业发展的基础还不牢固。工业和信息化部装备工业司副司长罗俊杰提到:“目前国内动力电池综合性能仍需提升,从资源开发到回收利用等全产业链的发展还不够平衡,安全等问题使我国新能源汽车产业在未来一段时间内,仍处于‘爬坡过坎’的阶段。”

 

过度追求补贴

 

通过对事故的调查分析,多位专家认为,电池热失控是起火的主因,因为当电池达到一定温度时,电池就会产生连锁的放热反应,温度快速上升,最高的速度可达到每秒钟温升接近1千度。

 

引起热失控的原因有多种,电池包本身温度不均匀,局部区域温度高,过充过放、外短路、内短路等原因都会放热,此外还有机械原因,如进水、密封不好、碰撞等等。21世纪经济报道记者了解到,一般情况下,电池放电到一定程度后不会热失控,热失控一般都是在满电状态,所以充电的时候容易引起热失控。从车型来看,发生事故的车辆主要是旧车型,电池能量密度并不高。

 

和往年相比,今年电动汽车起火事件更加频繁,一些企业为了尽快拿到补贴,开始降低生产标准。同时,很大一部分企业并没有建立企业内部的电池安全测试标准,部分企业甚至没有电池安全测试的能力,生产出来的电池质量参差不齐。

 

欧阳明高表示:“目前电池产品测试验证不足。由于补贴退坡的政策周期是一年一次,总体来看与产品的开发周期不是很匹配,有些企业盲目地追求高比能量,缩短了测试验证的时间。为了缩短开发周期往往首选物理的改进方法,比如把电池活性材料增厚,隔膜减薄,这样电池比能量会上升,但是安全性能会下降。”

 

除了电池本身,电动汽车在充电的过程中也容易起火。“BMS的厂商和充电机的厂商没有严格的执行新颁布的国家标准。正常情况下,电池管理系统对充电有很好的断电功能,但很多企业目前并没有严格执行功能安全的规范,即ISO26262《道路车辆功能安全》规范,比如充电继电器的粘连应该有诊断功能,但有的企业为了节省成本就没有装载,电池管理系统与充电桩也没有装备合格的绝缘检测装置。”欧阳明高表示。

 

技术推广不宜过快

 

根据中国新能源汽车动力电池比能量发展的趋势,很快就会向300瓦时/公斤的高比能量电池迈进,这就是所谓的高镍三元811电池,将很快进入市场,同时,它们也比原来的电池面临更高的安全技术要求。

 

针对国家提出的产业化目标,即2020年单体达到350瓦时/公斤,系统260瓦时/公斤,循环寿命2000次。多位专家认为,要求偏高,不宜强行推行,此外还建议补贴政策要符合技术发展的规律,对能量密度的提升不宜过快、不宜更改过频。

 

欧阳明高表示:“电池安全是电池技术革命性突破的第一重点,也是纯电动汽车性能提升的第一关键,电池产业发展越往后期,电池安全就越变成一个瓶颈技术,比如十分钟充300公里以上的快充技术,电池电压从300V提高到600V甚至800V,这些都与安全相关,也是今后纯电动汽车竞争的主战场。可以说安全是电动汽车可持续发展的生命线,要全面提升现有锂离子动力电池系统安全技术,全力突破新型固态电池技术。”

 

对此,英飞凌科技汽车电子事业部副总裁徐辉说:“我认为电动汽车起火是一个行业发展的过程,我们不能过度地去强调因为某一辆车发生自燃现象,就断定整个技术不安全。在发展过程中,企业应该更多去做一些实验和验证。同时,我认为标准也很重要,个人更希望政府的法律法规从整车分布到各个零部件,当然目前新能源车还没有达到传统燃油车的技术程度,所以大家都需要去参与到这个过程中,更快地让体系能够完善。”

随着国家补贴政策的逐步退坡,动力电池企业间的加速竞争,力电池行业格局已经逐渐成型,早年间大肆扩张的时代已经结束。

 

新能源汽车对动力电池而言是一把双刃剑,一方面给予动力电池企业前所未有的发展契机,另一方面又对动力电池进行无情的压榨,要求动力电池能量密度不断提高,续航里程不断提升,价格却要不断下跌。伴随补贴逐年大幅退坡,整车厂也开始将部分成本压力转嫁给动力电池企业。

 

我国动力电池行业表现出集中度提高的趋势,排名前20的动力电池单体企业配套量占了总量的近9成。实际上,面对上游原材料成本价格上升及下游主机厂对动力电池采购价格的压力,这两年国内电池企业的利润在不断压缩。

 

深圳市比克动力电池有限公司总裁解国林向网易汽车坦言,“今年上半年电池材料的成本没有下降,车企的付款周期也给电池厂带来很多压力,电池企业2016年的时候有130家,去年公告上只有90家,今年可能会剩60家左右”。

 

一边是,电池产业链多家企业陆续遭遇资金困境面临倒闭。

 

今年6月,曾经的电池企业头部玩家沃特玛发布放假通知,坦承放假是因为公司订单不足、资金困难。连续多年位居全国动力电池装机量第三的沃特玛,一下陷入资金链断裂的困境,让人看到动力电池领域竞争的残酷。

 

同时,AESC作为日产Leaf唯一的电池供应商,被日产卖给了中国的金沙江资本,同样也引发行业热议。

 

一边却是宁德时代、比亚迪这样的企业增资扩展跑马圈地上提产能,并连续与多家企业合作成立合资公司;这一年里,倒闭和买卖重组在动力电池行业变得司空见惯,动力电池产业洗牌已经全面开启。

 

2016年,我国动力电池领域的投资超过1000亿元,导致产能大幅扩容,2017年中国动力电池的产能已经超过了200GWh,但总体产能利用率只有40%。产能利用率低下,是中国动力电池产业结构性产能过剩的突出体现。

 

2013年,我国动力电池装机量仅为0.8GWh,2017年为37.6GWh,而当年产能规划达到228GWh。产能全部释放的话可以满足年产500万辆电动乘用车的需求,显然目前市场规模还远达不到这个量级。

 

此外,这种过热的势头导致龙头企业的优质产品受到追捧,中小企业的产能得不到消化,生存空间不断被挤压。低端产品过剩、高端产品不足的结构性产能过剩,依然是当前困扰国内动力电池产业发展的突出问题。

 

动力电池是重资产行业,又是技术密集型产业,在技术快速迭代过程中,一旦技术或资金跟不上市场的步伐,将很可能被淘汰出局。动力电池产业的洗牌才刚刚开始,对于部分动力电池企业而言,显然这个秋天来的着实有点早。

 

新能源汽车最近因为多起起火事件,再次引发人们对新能源汽车安全性的广泛关注和担忧。

 

瓦叔得到的消息是,今年以来,新能源汽车频繁出现起火事件,让有关部门不得不重新审视动力电池安全性问题,未来可能将淡化补贴与能量密度关系,进一步提升安全性的权重。

 

最近新能源汽车频繁曝出起火事件,从车型上看,有客车,有乘用轿车,从配套的电池上看,有三元电池,也有磷酸铁锂电池

 

电池行业普遍达成的共识是,三元电池相对于磷酸铁锂电池安全性较差,但是最近几年三元电池因为高能量密度的天然优势,逐渐成为新能源汽车采用的主流动力电池。

 

如果想让新能源汽车充一次电行驶更远的里程,就必须提高单位电池重量中的能量密度。

 

那么如何提高能量密度呢?

 

三元动力电池材料主要包括三种元素——镍、钴、锰,如果要提高能量密度,必须提高镍元素的比例。

 

以前,三元材料中镍、钴、锰的组合比例主要是3:3:3,虽然安全性能较高,但是能量密度较低。此后,为了提高能量密度,电池企业开始将镍、钴、锰比例逐渐变成5:2:3、6:2:2、8:1:1。因为镍元素较为活跃,随着镍量的增加,在能量密度提高的同时,电池的热失控温度和安全性逐步下降。

 

那么电池为什么会燃烧,甚至爆炸?

 

可以将电池组理解成汽油箱一样,是一种含高能物质的部件。锂离子电池中的电解液是用有机溶剂配制而成,其易燃的程度不亚于汽油。

 

电池正极的氧化剂和负极的还原剂只隔一层微米级厚的隔膜,一旦短路就会生热;充放电时,电池内阻也会生热。在达到一定温度时,正极上的氧化剂会与电解液发生化学反应。大量的化学反应热会造成热失控,产生大量气体,进而导致气压升高,电池破裂,继而出现车辆燃烧、爆炸情况。

 

按照中国工程院院士杨裕生的权威说法,使用热失控温度越低的正极材料,电池的安全性越差。特斯拉用的三元锂离子电池,热失控温度不足200℃,尤其是三元材料在达到一定温度时还会分解释放出极活泼的初生态氧,即使在没有外界氧气供应的情况下,这种电池内部就完整地具备燃烧三要素。

 

麻烦的是,在当前的技术条件下,并没有太好的办法来解决三元电池这一安全性问题。

 

而磷酸铁锂电池不同,它和三元电池,分别可以视为安全性与高性能的产品代表。

 

在中国工程院院士杨裕生看来,在磷酸铁锂电池中,磷酸铁锂分子里的氧被牢固地束缚在磷酸根中,很难成为助燃剂,磷酸铁锂电池的热失控温度要高得多,在700度以上才会分解燃烧,其安全性高得多。

 

既然磷酸铁锂电池要安全的多,为什么最近频繁燃烧或爆炸的新能源汽车中也有采用磷酸铁锂电池的?

 

从技术角度来看,磷酸铁锂电池比三元电池要安全的多,但是并不代表厂商做磷酸铁锂电池的质量能跟得上。

 

过去几年,因为新能源汽车产销量增长迅猛,动力电池产业投资被广泛的带动起来,厂家鱼龙混杂,为了拿补贴,许多磷酸铁锂电池厂家不惜牺牲质量,大干快上增加产能。当然三元电池同样存在这一问题。

 

在9月17日举行的清华大学汽车工程系和媒体座谈会上,另一位权威专家、中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高说,目前新能源汽车补贴政策,导向不大合适,虽然补贴跟能量密度挂钩,总体方向是对的,但是要符合技术发展的规律,能量密度提升的节奏要稳,不能提得太快。太快,企业就跟不上,没有时间验证产品的成熟度。

 

而在中国工程院院士杨裕生看来,与磷酸铁锂电池技术路线不同,从技术层面看,三元电池本身存在安全的缺陷,暂时是无法解决的。

 

电池行业有一种戏称:

 

未来三元电池能否被大量应用的关键因素并不在于电池本身,而在于车辆的逃生系统以及相关的保险体系是否完善。

 

虽然安全性问题还没有得以很好的解决,但是过去几年三元电池因为能量密度优势,在市场中的比重却在不断提升。

 

今年前8个月,中国动力电池累计产量达38.52GWh,其中三元电池累计生产20.12GWh,占比上升到了52.23%;磷酸铁锂电池累计生产17.78GWh,占比下降到了46.17%。其中8月份三元电池占比更是上升到了63%。

 

而2016年,三元动力电池占比还只有22%。

 

中国工程院院士杨裕生说,近几年我国出现“人造三元风”,之所以说“三元风”是“人造”的,是因为它不是因技术优势自然形成的,而是片面追求纯电动长里程政策引导的结果。

 

所以他强烈建议我国应将磷酸铁锂电池作为发展重点。