锂电池的能量密度和安全性该怎么统筹？正确的运用办法则能充分发挥它的优势
来源：宝鄂实业
2019-07-16 15:45
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怎么正确运用锂离子电池?
锂离子电池，具有重量轻、容量大、寿数长的特点，是手机电池的最佳选择。正确的运用办法则更能充分发挥它的优势和运用寿数。

(1)为减轻运送保管过程中的自放电现象，刚出厂的锂离子电池，只给充约50%的容量，拆开后即可运用;等第一次完全用完后再完全充满后运用;第2次也要完全用完后再充满电，如此连续三次循环今后，电池则易达到最佳运用状况。
(2)锂离子电池必须选用能给锂离子电池充电的专用充电器(因其充电电流较大)，否则达不到充电作用，使容量减少。锂离子电池的专用充电器，可给锂离子电池实施慢充和快充。
(3)锂离子电池没有回忆效应，每次充电前不需强制放电，只要让电池容量用完后即可随时充电，既节约电能又不浪费电池的一个循环寿数。

(4)锂离子电池不能暴晒于60℃以上的高温之下，也不要接近火源，更不要随意拆开。假如被雨淋或不小心进了水，可用干布擦干，放于通风处自行单调或用40℃左右的热风吹干。
(5)锂离子电池的备用和通话时刻与手机类型、发射站位置及距离、充电办法、电池充电后放置时刻、电池自身的容量和质量、环境温度等因素有关。
近来，特斯拉、蔚来、比亚迪等品牌电动轿车连续发生起火事端。锂电池的能量密度和安全性该怎么统筹？全固态锂电池还有多远？
1、锂电池电解液是易燃溶剂，其间的锂还有正极资猜中的镍、钴是生动金属，暴露在空气中易燃烧。
2、圆柱形锂电池正极和负极间只隔一层微米等级厚度的隔绝薄膜，遭受冲撞时简略决裂引发短路。
3、锂电池的能量密度和安全性存在天然敌对，由于能量密度进步意味着选用更高活性的正负极材料，或下降隔绝膜的厚度，这两项做法都将大幅增加电池的危险性。
4、全固态锂电池是未来的展开方向，但还需求较长时间的科研攻关。
近来，特斯拉、蔚来、比亚迪等品牌电动轿车在我国各地连续发生起火工作。
▲上海特斯拉自燃，火光瞬间照亮整个车库
▲陕西西安：蔚来ES8修理时起火 事端原因正在查询
▲武汉发生一同比亚迪e5起火工作，官方称电池无损坏
虽然特斯拉和蔚来轿车方面纷纷发布公告称“车辆起火原因尚未承认，会在后续及时对外公布查询成果”，但这很显然无法完全停息双方在品牌层面遭受的负面影响，由此引发的焦虑开端在业界和消费者中延伸。

此次上海发生自燃的特斯拉类型为Model S P85，现在现已停产。这现已不是特斯拉轿车第一次发生自燃了，据不完全统计，截至现在，在全球范围内，特斯拉的电动轿车在行驶、磕碰和充电导致的燃烧、自燃及爆炸事端，现已发生超过50起，甚至被称为“烧车的冠军”。
再三发生的电动轿车起火事端，将电动轿车和动力电池的安全问题再一次面向了舆论的风口浪尖，为快速展开中的新能源轿车市场蒙上了一层暗影。为何电力轿车的电池屡屡“过火”？我们又该怎么应对电动轿车电池的安全问题？
电池磕碰、静放电池短路等是主因
电动轿车起火事端中，大部分是因电池而起，包括交通事端磕碰、短路自燃等等原因。电动轿车的鼓起源于锂电池技术的快速展开，在广泛应用于电动轿车之前，手机和笔记本电池燃烧爆炸的事端早已层出不穷，电池的潜在安全隐患如同现已成为电力轿车行进展开的拦路虎。
电动轿车除了动力系统不同外，底盘、车身、表里饰等都与传统内燃机车型并无区别。电池是电动轿车的首要储能部件，直接影响到电动车的功用。在电动轿车上，一个个单个的电池芯组成电池，必定数量电池被组合到一同构成电池模组模块。


由于车辆上装载电池的空间有限，运行所需的电池模组数目也较大，电池会以不同倍率放电，并以不同速率发生大量热量，再加上时间累积及空间影响，然后导致电池组运行环境温度状况复杂多变。
关于详细电池起火的状况，清华大学轿车工程开发研讨院常务副院长、轿车安全与节能国家重点实验室副主任宋健介绍，这一般是由于电池内部电解液及其分解产物被点燃构成的。
宋健介绍，从学术上来说，锂离子首要做两个运动，一个叫嵌入，一个叫脱出。不管是放电还是充电，锂离子都是从电池的一极跑到别的一极。“内燃轿车的油箱，仅仅是一个贮存燃料的地方。而电动轿车的电池组不同，锂电池既是一个储能设备，又是一个化学反响的设备。电池在放电进程中一同进行着氧化反响，化学能改变成为电能，然后输出来驱动轿车电机。”

宋健指出，锂电池中电解液是用易燃溶剂配备而成的，锂电池的充放电进程，就是电解液中锂离子的运动进程。锂是一种生动金属，电池内的锂如果暴露在空气中，就会与氧气发生剧烈反响从而燃烧。

为了避免空气进入电池内部，轿车电池制作商一般会用多层外壳或塑膜来封闭电池，使得锂不会与氧气触摸，厂商也会在电池包外壳包裹坚固保护壳。不过，在电池内部又是另一番“软弱”的环境。我国科学院院士欧阳明高指出，锂电池的正极氧化剂和负极还原剂之间只隔一层微米等级厚度的隔绝薄膜。现在电动轿车厂商为寻求高能量密度、高续航，会将电池中的隔膜厚度进行削减，给电池构成了必定的安全隐患。
宋健表示，自己在实验室做测验中就呈现过隔绝薄膜决裂的状况。“我们实验室的研讨成果，仿照电动轿车发生剧烈磕碰的状况，电池在必定的磕碰冲击力和大气压强下，薄膜就会发生决裂，正极上的氧化剂就简略与电解液发生化学反响，电池的正负极就发生短路了，部分温度升高，就或许点燃电池的电解液。”宋健介绍道。



▲18650型锂电池电芯内部拆解示意图（图片来历：中关村在线）
电动车上的电池都是通过串并联成组作业，单个电池组（或电池包）发生热失控之后，部分开释的能量向周围传播，将或许引起周围电池的热失控。数千颗电池芯间引发连锁反响，终致电池组全面起火爆炸，开释巨大能量。所以在极端状况下，一个小毛病就有或许会构成灾难性的成果。
鱼和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然敌对
当时，锂电池已与我们的日子越来越紧密，我们的手机、笔记本电脑里边都有锂电池。锂电池指的是电化学系统中含锂的电池，由正极材料、负极材料、电解液、隔膜材料四部分构成。因正极、负极材料不同，而被区分成不同种类的电池，如常用的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等，常用的负极材料石墨、锡基、硅基、钛基等。
在2016年Model 3型轿车发布前，特斯拉电动轿车选用松下提供的18650类型的钴酸锂电池，单颗电池容量为3100毫安时。特斯拉的MODEL S型轿车上的电池单元一共运用了约7千-9千节18650锂电池，特斯拉的工程师首先将这些电池以砖、片逐个分配组成电池包，然后平铺在车身底板上。
▲特斯拉model S型轿车的电池组，每辆车16组（图片来历网络）
早在1991年，索尼公司就发布了首个商用锂电池，一同索尼公司根据多年开发经验，归纳考虑后定下了一种标准电池类型：直径为18mm，长度为65mm的圆柱形电池——也就是我们今日常说的18650锂电池。之后这种圆柱形的锂电池完全改造了消费电子产品的容颜。小到充电宝，大到轿车，这种圆柱形电池无时不刻不在影响着我们日子的方方面面。
今日松下、三星、LG等厂商旗下的的电池工厂仍然在24小时不停地生产着这种有着近30年前史的产品。由于18650号电池的体积太小，无法通过工艺控制和原材料视点进步能量密度，下降电池本钱，因而特斯拉从Model 3车型开端，运用增大体积的21700号镍钴铝三元锂电池，也就是直径21mm、长度70mm的圆柱形电池。

三元锂电池全称“三元材料电池”或“三元聚合物锂电池”。它指的以镍钴锰（铝）三元材料做正极材料，以石墨为负极材料的电池，所以称之为“三元”。

三元锂电池的最大优势在于电池储能密度高，续航能力强；其次电池寿命、输出功率、本钱控制都不错，因而特斯拉、比亚迪等国表里轿车产商都纷纷选择选用。但其安全性却令人担忧，宋健指出，三元锂电池中的三元材料在抵达必定温度时，会分解开释出极生动的初生态氧，即便在没有外界氧气供应的状况下，电池本身就具有可燃物、助燃物和着火源的燃烧三要素。
三元锂电池中所含的镍钴锰（或铝）三种金属元素聚合物，在电池内部发挥了巨大的效果。镍、钴是元素周期表中副族中的活性金属，首要效果是进步电池的体积能量密度，是进步续航路程的首要突破口，要想电池让轿车跑得更远，那就势必要增加镍、钴在三元资猜中的比值，不过也有必要承担两者化学性质生动带来的安全隐患，鱼和熊掌不可兼得。
“三元锂电池中运用热失控温度越低的正极材料，电池的安全性就越差。”我国工程院院士杨裕生曾发表文章，旗帜鲜明地敌对大力展开三元锂电池。杨裕生以为，国家新能源轿车的补助机制鼓舞电动轿车搭载高能量密度电池，电池厂商为追逐利益，在缺少科学性的状况下，才大力展开三元锂电池。
优势满满的全固态锂电池展开缓慢
电池被安装在空间有限的轿车里，其能量密度决议了电动车的行驶间隔，现在电动车用的锂电池能量密度约为 120~150瓦时/公斤，根据《我国制作2025》动力电池展开规划：到2020年，国产电动轿车的电池能量密度将抵达300瓦时/公斤，2025年抵达400瓦时/公斤，到2030年抵达500瓦时/公斤。
随着电芯和电池系统能量密度的进一步增加，保证动力电池系统安全的需求也会愈加激烈，挑战和难度也将随之进步。十三届全国政协副主席、我国科协主席万钢也曾揭露表示，在展开电池能量密度的一同，要将动力电池系统电-热安全作为电动轿车展开最要害的指标，从动力电池的单体模块、电池包、电-热处理以及结构布置等方面归纳考虑，重视材料的稳定性、充放电机制、热失控防护和电-热处理系统。

▲特斯拉轿车的动力电池包选用的液冷结构散热方法（图片来历网络）
电池能量密度的跃进关于电池来说本身就是一场“赌注”，由于能量密度进步意味着需求选用更高活性的正负极材料，或削减隔绝膜的厚度，两项做法都将大幅增加电池的危险性。
怎么处理能量密度和安全性的敌对？我国科学院院士欧阳明高接受媒体采访时候表示，全固态锂电池是未来电池展开的方向。他介绍，现在业界正在研讨一种全固态电池，不会发生刺穿隔膜的问题。
欧阳明高院士强调，这个词的每一个字都不能少、不能变，所谓“全固态锂电池”是一种在作业温度区间内所运用的电极和电解质材料均呈固态，不含任何液态成分的锂电池。

全固态锂电池由于选用高热稳定性的固态电解质，代替了易燃的常规有机溶剂电解液，电池燃烧问题能够得到有效处理。搭载全固态锂电池的轿车，自燃概率会大大下降，能够说是下一代新能源轿车动力电池的抱负目标。
不过欧阳明高院士坦承，真实意义上的全固态锂电池技术，现在仍然是不成熟的。“全固态锂电池的固态界面触摸性是重要的技术难点，也就是电解质与电极之间构成高电阻界面问题，还存在技术不确定性，未来还需求较长时间的科研攻关。”
据悉，包括韩国三星、日本丰田在内的众多电池和轿车厂商，都加大了固态电池研制投入，现在已有部分电池进入测验阶段。宋健介绍，虽然前景可期，但由于技术和工艺上的种种问题，展开固态电池的路途还需求进一步根究。“现在在实验室中现已有全固态锂电池的样品呈现，不过价格昂扬，配备在轿车上，轿车的起售价动辄会上百万人民币。”
此外，就储能功用来说，全固态锂电池并非白璧无瑕，其最大的一个缺陷就是高倍率放电功用极差，原因就是锂离子的固态分散速度比在溶液里分散慢得多。不过一旦前面这些问题能够有效处理，必将在未来掀起一场新的电池改造。
