从动力电池的原材料开始,对动力电池的安全性进行一一的分析

最近电动车烧的有点猛,各个院士、专家、学者们也纷纷开始对安全性进行了专门的探讨,也得出了一些方向性的建议和指导。本系列将从动力电池的设计、制造、测试等过程一一分析影响电池安全的各个因素,希望能起到抛转引玉的一个目的,毕竟,电动汽车的安全性是一个系统的工程,并不能一蹴而就。本文将从动力电池的原材料开始,对动力电池的安全性进行一一的分析,希望能引起大家的共鸣。

1、正极材料

杂质含量:杂质含量包含金属和非金属,杂质越多,自放电的可能性会越大,如果颗粒过大,随着电池的使用,此颗粒有可能会越来越大,最终导致电池的短路,因而不管是正极材料厂家还是电池厂,都会采取一定的措施去控制原材料的杂质含量,例如烧结设备的选择,从金属更换为非金属,制作完成时也会有除杂的过程;在电池厂时也会有相关的检测手段和设备,使用时也得严格控制环境的粉尘等级等等,都是有效的防止杂质含量提高的手段;

磁性物质含量:主要是金属杂质中具有磁性的物质,这些物质如果含量过高,在使用过程中会形成一个个的活性位点,不断的沉积最终导致电池的内部短路,因而需要严格的把控,目前材料厂都会对自己所生产的原材料进行除磁,最终的检验标准也很严格,一般是ppb级别,检测方法一般是ICP法,在此就不在详述,有兴趣的小伙伴们可以查阅相关的资料;

热稳定性:随着三元材料中镍含量的升高,正极材料的热稳定性会随之降低,这个一般用DSC或ARC去测量,温度过高导致正极材料的分解、释氧,引发热失控,所以对于这个指标,实际上是有两层意义,一方面,可以通过包覆、掺杂的方法提高正极材料的热稳定性;另一方面,可以通过控制电池的温度使用范围,去让电池达到一个合理的使用区间;

2、负极材料

和正极材料一样,也是有杂质含量、磁性物质含量以及热稳定性的要求,具体的影响机理和正极是类似的,在此不再详述。

3、隔膜

隔膜作为主要的关键原材料,其很多指标都和安全直接相关;

穿刺强度:穿刺强度的大小直接影响着电池发生内部短路的可能性,理想状态当然是越大越好,但对于干法、湿法以及有涂层的隔膜来说是有区别的,随着技术水平的提高,隔膜的厚度是越来越薄,涂覆的东西也是越来越多,主流还是陶瓷,也有各自胶、甚至有导电剂等等,这些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺强度。

抗拉强度:对于卷绕型电芯而言,随着电池循环的不断进行,边角处的应力会随着正负极的不断膨胀而增大,所以对于隔膜的抗拉强度要求也是逐渐提高的,要求电池在整个使用周期内是安全的,实际上对于隔膜的要求也是很高的。

热收缩性:这个指标也很关键,对于动力电池的使用,不仅仅是在常温的情况下使用,其外部环境的变化,内部产热的变化,都会对隔膜横向和纵向的收缩带来影响,现在普遍的标准为105℃30min,一些企业的内部标准会比这个更高,这就要求隔膜企业对于隔膜的材质、生产工艺、涂覆材料的种类等等进行深入的研究,生产出更适应高能量密度电池的隔膜。

闭孔温度:这个指标主要衡量的是隔膜在极端情况下的安全性能,也是一个很关键的指标,不同的材质是有不同的闭孔温度,干法和湿法也是有区别的。

4、电解液

对于锂离子电池的血液——电解液而言,其很多参数也和安全性是直接相关的,例如电解液的纯度、杂质含量等等,与正负极材料的相关参数也是类似的,现在主要讲一下与正负极材料不同的部分。

热稳定性:电解液的热稳定性与电池的安全直接相关,在电池发生热失效的情况下,电解液的热稳定性不足将会直接导致电池的起火爆炸,因而,目前,不燃电解液、惰性添加剂的研究是电解液的一个方向。

电化学稳定窗口:这个参数直接关系到电池的上限电压以及安全电压,随着能量密度的提高,电池的上限电压也越来越高,所以相关的研究热点也在如何提高电解液的高电压稳定性以及和材料界面的相容性上。

5、其他材料

导电剂:

杂质含量是一个很重要的指标,很多导电剂在制作过程中是会引入金属离子杂质的,所以在使用时要控制杂质的含量;

溶剂:

NMP、纯水等的杂质含量;

粘结剂:

杂质含量;

胶:

杂质含量、分解温度、耐高压性能等等,都是与安全相关的性能;

胶带、保护套等:

杂质含量、耐高温性能、耐电解液性能等等,也直接与安全相关;

铝塑膜、电池壳、盖、极耳等:

杂质含量,铝塑膜的耐腐蚀性能等等,都是需要关注的地方;

小结:

随着动力电池能量密度的提高,安全性随之降低,本次主要从电池的原材料出发,简单介绍了一下与安全相关的指标,对于动力电池设计过程而言,其实是一个平衡的过程,怎么在安全和电性能之间做出一个平衡,需要广大锂电同仁们一直努力,才能做出高安全性、高能量密度的电池。

动力电池安全性待考

知名品牌手机电池爆炸的新闻已经过去很久，但仍然让很多人心有余悸，最近的电动汽车起火事故更是让人心惊。在节能环保、性价比高等优点的加持下，电动汽车能否让大家安心地坐在一块大电池上飞奔?

“国内动力电池生产总体技术水平与国外先进水平相比尚有差距。”中国质量认证中心工程师王湛介绍，近年来国内动力电池数量迅猛增长，新技术、新路线层出不穷，但制造商规模普遍不大，技术实力有提升空间。在现有体制下，市场门槛比较低，一些小制造商尚未建立起规范的质量保障体系。“大多数企业在生产过程中采用半自动化和自动化生产设备结合的方法，产品质量水平不稳定，在产能和安全性方面还有一些可提高的空间。”

据记者了解，磷酸铁锂和三元锂电池是目前市面上使用率最高的动力电池。数据表明，磷酸铁锂电池的能量密度不及三元锂电池，但却比三元锂电池有更好的安全性。正极材料是决定电池能量密度与性能的关键因素，隔膜是保证电池性能与安全性的关键材料。众所周知，电池容量越大、能量密度越高，安全的重要性越凸显。

中科院院士、清华大学教授欧阳明高强调，在电动汽车动力电池的发展中，安全永远是第一位的，能量等其他性能指标其次。

“影响电池安全的，不只是电芯本身，还与电池组、动力系统、整车等有关，尤其是BMS(电池管理系统)。”同济大学教授叶际平表示，现在的BMS不能像人的神经一样做到“冷暖自知”，所有的电池都是被动地被BMS控制，而电池内部活性非常大，无法在大气暴露的情况下看内部运行情况，虽然材料分析技术在日本、韩国等地非常成熟，但在国内的研究才刚刚开始。所以人们的担忧不无道理。

电池比你想象的更安全

业内专家认为，特斯拉起火是因为搭载的三元锂电池在遭遇强烈碰撞时出现“热失控”现象，导致温度快速上升。

同样是汽车，为什么每天坐在汽油车上，大家并没那么担心;而在电动汽车上，人们却十分顾虑安全?

因为影响“电”的因素要比汽油更多。“电池系统的失效模式有五项：电击(电能非正常释放)、燃烧、爆炸、碰撞、腐蚀。”北京普莱斯新能源电池科技有限公司副总裁张仁柏介绍道，电池系统安全测试至少有四大安全，第一是化学安全，包括材料阻燃、电芯安全;第二是电气安全，包括膨胀力、传感、电压采集、温度采集等;第三是机械安全，如耐腐蚀、耐振动;第四是功能安全，如碰撞过程中自动切断电路灭火等。

“不管是过充，还是短路，大部分问题的原因都是电芯的热失控。未来的发展，我们还是要继续致力于稳定的正负极材料。”孚能科技(赣州)有限公司董事长王瑀表示，目前普遍采取的安全措施包括可熔断保险丝、继电器、箱体、电芯、电池模组、液冷系统、热管理等等。

中国汽车技术研究中心首席专家王芳也强调安全是电动汽车的根本。“电动汽车安全就是人员安全，要求在人逃生之前不起火、不爆炸。”但她也表示电池的安全性是有等级的。“安全是相对的，不安全是绝对的。我们只是要把不安全的可能性无限趋近于零。”

除了技术上的改进和严格的测试，针对电动汽车用动力蓄电池，中国质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2015年5月15日联合发布了《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法》(GB/T31467.3-2015)等6项国家标准，并在2016年全面实施。2018年1月24日，工信部发布了《关于征求<电动汽车安全要求>等3项强制性国家标准(征求意见稿)意见的通知》。一系列国家标准把电池安全予以统一强制量化，设置明确的“安全底线”。有业界评论表示不同标准的相互衔接及组合覆盖了动力电池、模组、系统等各个等级部件，有利于动力电池行业的健康发展。

电池企业、车企联手打造安全感

业界专家普遍表示，新能源汽车安全不是某一个环节、某一个企业的问题，而是一个包括电池、电机、电控、整车制造、充电设施等全链条的系统工程。确保电池安全不只是电池企业的“本职”，整车企业更是责无旁贷。

电池企业方面，“需要确保动力电池和储能电池从设计到生产、从使用到售后的安全。”宁德时代新能源科技股份有限公司副董事长黄世霖建议。

如果说电池企业侧重于电芯性能的研发，那么整车企业则更关注电池的使用和用户体验。车企和电池企业代表表示虽然双方看起来“分工明确”，但其实买卖并不一定要“两清”。车企在用户使用过程中采集数据、反映用户体验和问题，电池企业作为参考可以更好地提高电池的性能和安全性。浙江电咖汽车科技有限公司董事长张海亮建议，整车企业需要抛开整车厂与供应商之间的传统供求关系，与供应商成为密切配合的合作伙伴关系，共同推动电池技术的迭代与进化。