为什么锂电池安全性的负面影响就如此引人关注呢?
因为电池带的电量变少,电机功率下降,出的力反而不变,所以电动汽车一定不能加很多的电池能量。带比较多的能量长距离行驶,会带来五个副作用,所以电池能量越加大的时候,带来的副作用越大,就越被动。”
因而作为该领域内研究多年的专家,王子冬主任表示,其实用锂电池做电动汽车能量载体的时候,业内专家学者早就知道锂电池即便达到了“天花板”,也注定不能替代燃油车。“所以我们政府在推这个新能源汽车的时候,更多强调电动化,即“电驱动化”,而不是“电池化”,不是靠加多少电池让车走多远,因为锂电池的发展存在比较低的天花板。但是我们仍坚持电驱动化,是因为电机的驱动效率远高于发动机的驱动效率,电机的平均效率可以超过80%。所以最终的方案是要解决电从哪儿来?而不是说一定要用电池,因为电池组的能量密度是永远不可能跟燃油抗衡的。”
动力电池很冤,锂电池都是“被点燃”的
从技术层面来看,今年参与召回的很多电动汽车,主要原因都与动力电池的自燃事故有关。
而王子冬主任在讲演现场表示,其实公允地看,燃油车的自燃事故相较于电动汽车车型而言并不见少,这并非为电动汽车开脱,毕竟无论从保有量还是从可发生自燃的事件概率来看,确实还是传统燃油车更在数量上占有较大比重。
那么为何对于电动汽车安全性的负面影响就如此引人关注呢?
王子冬主任用感冒和非典做了一个较为明显易懂的比喻:“2003年的SARS我们都经历过,但是真正死去的人数量或许只有一二百个人,然而全世界每年患感冒死的人单位则是数以万计的,可我们从来没有听到过谁得了感冒会很害怕的。那么为什么我们对SARS这么恐慌呢?这是因为SARS没有药可治,感冒却有药,尽管感冒的并发症更多,但我们都有恃无恐。”
在他看来,电动汽车和燃油车也一样,外界都知道燃油车出事是燃油车燃油泄露且遇明火导致,而不会无故自燃。但是电动车如果出着火事故原因很多,难以说清,就和SARS一样,也没有很好的解决措施。“因而在没有完全掌握锂电池着火规律之前,把控能量密度与安全性和长寿命的平衡关系,是我们不能忽视的问题。”
其实锂电池是不稳定的,它的特性天生就是个“爆脾气”,这是圈内从业者的共识,但着火的核心问题其实更多的则是出在电解液上。“因为容易着火的就是电解液,它是有机溶剂。”所以如果按照王子冬主任的理论来看,电解液其实只是“燃料”,而真正的引发着火的“罪魁祸首”大家都还是在猜测。
而立足于对今年召回的很多电动汽车的调查研究,王子冬主任指出,很多电动汽车自燃问题看似出自电池本身,但是很多时候其实内置的动力电池是“被点燃”的。
“比如充电方法不好、电池设计不合理、热管理不好,散热不好,都会导致电池被点燃,或者像“前途K50”跑车这种,它的电池就一定要适合大电流放电,否则就容易被着火。所以锂电池其实很冤,媒体最好不要总是向外界说电池着火,其实电池是‘被着火’。”
市面上的充电原理全错了
在进一步论证解释电池是被“点燃”的之前, 王子冬主任指出, 电池容易出现的安全性问题,多数体现在以下几个过程中。
首先是电芯的制造过程中,往往比较多见,诸如三星、LG等国际著名的锂电池生产工厂在制造过程中也着过火;然后是在电池组集成过程中,电池裸露在外面,集结成组的过程中容易出现问题;再来就是在储存过程中,而鉴于锂电池制造工艺的苛刻要求,电池多数都需要一个出库前的存储阶段,经由这个阶段,电压衰减更快的不好的电池会被筛选掉,然而存储过程中当瑕疵迅速变大,也就容易出现着火等大型事故;还有就是在运输过程中,有一个案例就是在长时间的复杂下坡路段上,因为刹车系统经常摩擦导致轮毂温度升高,也结果将车上运输的电池点着。最后则是在回收以及材料提炼的时候,由于某些处理方式不当,将会对环境产生更大的威胁。
当然更多的时候,与用户发生关联的情况,还是在使用过程中,具体则是在充电过程中发生自燃。
“但是我们可以看到,现在市面上所有的充电器,原理全错了。而这个原理有点像早晚高峰坐地铁,离子的移动是靠后面的电动势以‘推’的方式推进负极,将锂离子逼出枝晶。而锂电池自1970年发明的时候,其实起名就叫‘摇椅电池’,简而言之需要锂离子在正负极之间(借助电解液)来回的运动实现电池的充放电过程,而没有像其它电化学电池那样发生氧化还原反应,所以它的充电方式本应是牵引式充电,而非后‘推’式的。”
▲“摇椅电池”的基础化学性充电原理
用前言所述的早晚高峰“挤地铁”比喻也很明晰,因为一旦人出现单方向推和挤,则必然会出现后面的人想进、前面将要下车的人而不愿意往里面走的问题,而锂离子在元素周期表中又十分活跃,当锂离子之间因为“推挤式充电”而离得太近的话,则会变成锂元子,都会堵在“电池的负极门口”发生不可逆反应,且前、后就有很多“阻力”,使得离子迁移通道不通,,就非常容易出现较大的问题。
没有充分验证导致事故频发
跳出纯技术层面,王子冬主任分析当前多数国产电动汽车发生事故的外部原因时提到,主要是没有实现对于新技术的充分验证
“补贴政策一年一调整,补贴的钱数逐年减少是正常的,但不能在减钱的同时也频繁的调整指标要求,因为没有多少国内新能源汽车生产企业能跟得上,而多数情况下他们又都想赶着拿补贴,可是合理地验证一项新技术需要很长的周期,所以很多项目没有充分验证,产品就开始使用了。”
同时他还引用相关事实说明,国外对于新技术做实验会做600或700项,需要18-24个月,而我们国家原来制定的门槛测试标准,包括测量长度、外观、重量等数据的测试实验,总共统计只有32项。现在执行的新标准增加了许多内容。
除此以外,国内主机厂(整车企业)对电池厂提出要求的不确定性和相对盲目性,同样是导致事故多发的重要诱因,“宝马当初向CATL(宁德时代)提出的电池要求,有整整一本书,而我们国内的很多整车企业对电池厂提出的要求,可能往往只有半页纸。”
有鉴于上述内容,王子冬主任个人认为:“实事求是地看,其实国内在新能源汽车领域,同国外某些知名品牌的技术储备以及发展的差距其实并非不断缩小,而是在逐渐加大,因为我们在集成上为了达到能量密度的指标要求‘做减法’,而国外则是在为了提高产品的安全性、可靠性‘做加法’。而重视评价和验证最核心的意义在于,要通过这些评价来对发生的这些问题找到最为合理的管控方式。在王子冬主任看来,前途公司在当前国内的电动汽车发展大潮中,是有独特技术优势的,这种优势既反映在敢于在初始阶段就以跑车起步的胆识,也体现在“前途”公司方面坚持分模块的动力电池系统集成技术的理念上。
同时王子冬主任还认为,前途”公司电池系统的分箱集成设计,为其应对将来可能出现的问题准备了条件。“其实电池的分箱集成是很难的,很多企业也想这样做。但分箱以后会使箱体的尺寸变大,需要相当大多的技术储备来消化和解决这些问题。而我看到前途汽车实际上为进一步提高行驶里程还预留了空间,至少在现在基础上还有可以再提高一百多公里的可能性,这个事看起来很小,但是不容易,因为车上有刚度问题,越大的箱子解决刚度就越难。”
同时动力电池组也是非常复杂的能量系统,在每天生产几十万个电池的批量之下,一但要找出几个不合格的电池,将比重做一天的电池量的成本还高。而前途K50在电池生产上始终遵循供应商一致性原则,这在王子冬主任的理解之中,相对于国内其他对于电池控制策略认知不足,而误认为“可一以待之”的主机厂而言,不“朝三暮四”的前途能做到从一个电池的安全和循环寿命,再到系统的安全管控及热管理等方面,一直从可靠性、安全性较高的重视角度去管理,这就很难能可贵了。
再加上前途电池的管理系统-BMS,可监控每一个电池箱全寿命周期内的电池数据,同样也能为电池的故障诊断提供较为高效的数据支持。
综合上述诸多内容来看,其实外界似乎会觉得,相较于传统燃油车而言,电动汽车目前因为发展不完善而在客观上存在诸多劣势,那么为什么国家仍然坚持一定要大力发展汽车电动化事业?
按照王子冬主任的说法,这或许主要是源于对改变能源依赖现状的不安全性考量。
“中国要从大国走向强国,该怎么走?在传统汽车领域中,目前似乎发现几乎没有任何超越的希望,用市场换技术换了三十多年,换来更多的技术了么?非常客观地讲,我们现在的很多整车企业仍然不会自主设计汽车,像吉利还是靠收购沃尔沃来提升自己,比亚迪靠跟奔驰合作提升了电动汽车的制造技术,华晨靠与宝马合作也是如此,国内的车企很多都在走合资的道路,但合资过后他们真的会设计汽车了么?一汽设计了红旗,花了近似于天文数字的钱,结果呢?说实话前些年卖得非常不好。”
三元锂电池的发展势头之所以如此迅猛,背后靠的是国家对新能源汽车补贴政策的不断调整变更的因素。对比2017年新能源汽车补贴政策,2018年补贴在乘用车方面不仅重新划分了续驶里程区间,还对动力电池的能量密度通过系数变化和调档的方式提出更高的要求,对于百公里电耗量系数也分档进行划分,同时,电池能量密度系数可以与百公里电耗系数叠加。
磷酸铁锂电池曾是中国新能源汽车市场上的主流,虽然其充放寿命长,但电池系统的能量密度只在100Wh/kg左右,而三元锂电池能量密度最高能达到330Wh/kg,随着消费者对电动汽车续航里程的需求不断提高,且具有电池能量密度优势的三元锂电池预计将进一步取代磷酸铁锂电池市场。
产能有望达到200亿GWh,行业未来千亿规模
随着新能源汽车产业化进程逐步深入,全球各国及重点企业均加大力度发展动力电池产业,基于新材料和结构的高比能动力电池技术已经成为各国竞争焦点,大力提升目前车用动力电池安全性、寿命、低温特性,降低成本是产业技术发展的方向。
在美国、日本、欧洲和韩国等国家/地区科技规划以及重点企业战略规划中多次提及新体系结构车用动力电池技术,重点关注高性能电池材料、高性能锂离子动力电池(致力于寿命、能量密度和安全性提升)、高性能电池包、电池管理系统、热管理、电池标准体系、下一代锂离子动力电池、锂金属电池、电池梯级利用及回收技术、电池生产制造技术及装备等。
我国动力锂电池产业从无到有,从小到大,发展很快,在国家科技项目的重点支持下,中国动力锂电池关键技术、关键材料和产品研究已经取得重大进展。虽然小容量功率型动力锂电池技术和产品与国外相比仍有一定差距,但大容量动力锂电池产业发展已经处于国际领先水平。单体动力电池的特性,已经具备推广应用的条件。动力锂电池产业已经进入到产业化建设和推广应用的关键阶段。动力锂电池产业化进程已经处于国际领先地位。
需求越大,发展前景越有潜力,尤其对于新能源有关的产品,比如说动力电池。锂电池未来几年的发展前景如何?2015年动力型锂电池市场占比达47%,到了2016年达到了52%。而消费型的锂离子电池市场占比持续下滑,在2016年大约是42%。储能型锂电池在光伏分布式应用和移动通信基站储能电池领域的应用不断扩大。2016年占比达到6%。
通过这些数据可以看得出来。锂电池,它的应用领域和占比都是在不断变化的。未来的前景重点应用应该集中在电动工具,新能源汽车,轻型电动车和能源存储系统等等。这些领域内的产业规模,在未来几年应该会保持成倍的增长趋势。
一、锂电池的优势导致它不断增长新能源汽车的大力发展,也带动了锂电池行业的深度发展,动力锂电池在电池比例中不断升高。因为锂电池和传统电池相比优势比较大,他们在相同体积下锂电池容量更大,生产使用回收过程都更加的绿色环保。
二、新能源汽车数量的增加,导致锂电池供不应求。在2017年,中国的电动汽车产量达到65万辆。到2018年,这个数据仍然在持续上涨。这一结果直接导致锂电池需求猛增。尤其是动力锂电池,市场潜力巨大。三、新技术的整合利用,提升利用率。随着新技术的开发与研究。石墨烯纳米材料等一些先进的材料设备不断完善和锂离子电池的研发加速融合。它的应用领域,也越来越广泛。