磷酸铁锂与三元电池安全问题根源及解决路径在哪？
来源：宝鄂实业
2019-07-12 17:00
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从科技部电动汽车重点专项起步开始推动动力电池的研发，当时主要是镍氢电池和锰酸锂电池，到后来磷酸铁锂电池支撑着电动汽车的发展，如今业内研发重点又转向了三元锂电池。
在全国政协常委、国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长、清华大学教授、“中国电动汽车百人会”执行副理事长欧阳明高看来，今年三元锂电池的比能量预计将达到180Wh/kg。
随着下游应用要求的提高及技术的进步，锂电池比能量将逐步上升，美国能源部预计今后5-10年，也即是到2025年，单体到达大约350-400 Wh/kg左右；真正到系统，可能在250Wh/kg。而这，也将是锂电池所能达到的性能极限。
根据国外的趋势，中国2020年高比能量电池目标也是要达到300Wh/kg，寿命1500次，系统比能量大约210Wh/kg（比现在约提高1倍）。在迈向高比能量锂电池的过程中，动力电池比能量提高，续驶里程上升，且成本有所下降，届时电动汽车将可以与燃油车竞争。
当一切朝着所有人的预期方向发展时，有一点却必须引起高度重视：未来几年动力电池比能量的确会逐步上升，但安全性并没有随之提升。
深谙技术的人想必都清楚，动力电池比能量越高，安全性面临的挑战越大。而一旦动力电池缺乏安全性，一切研究都将变得毫无意义。所以，在业内致力于提高动力电池比能量的同时，务必将安全性列为重点研究对象。
事实上，动力电池安全性问题概括起来叫“热失控”，也就是到达一定的温度之后，就不可控了，温度直线上升，然后就会燃烧爆炸。而过热、过充、内短路、碰撞等是引发动力电池热失控的几个关键因素。
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过热触发热失控
导致动力电池过热的原因来自于电池的选型和热设计的不合理，或者外短路导致电池的温度升高、电缆的接头松动等，应该从电池设计和电池管理两个方面来解决。
从电池材料设计角度，可以开发来防止热失控的材料，阻断热失控的反应；从电池管理角度，可以预测不同的温度范围，来定义不同的安全等级，从而进行分级报警。
2
过充电触发热失控
今年的一起纯电动大巴起火事件原因就在于“过充电触发的热失控”，具体则是电池管理系统本身对过充电的电路安全功能缺失，导致电池的BMS已经失控却还在充电导致的。
针对这类过充电的原因，解决办法首先是查找充电机的故障，这可以通过充电机的完全冗余来解决；其次是看电池管理合不合理，比如说没有监控每一节电池的电压。
值得注意的是，随着电池的老化，各个电池之间的一致性会越来越差，这时过充就更容易发生。这需要进行整个电池组的均衡，来保持电池组一致性。
比如采用“先并后串”这一最常见电池组组合方法的串联的电池组，在解决单体一致性问题后，最好的情况是拥有与最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后，容量回升了，同时也能防止过充。
为了实现一致性，必须有一种方法对各个单体进行容量估计。欧阳明高建议，可以根据充电曲线的相似性来进行全体电池组状态的估计。
也即是说，只要知道了其中一个单体电池的充电曲线，其他的曲线应该跟它是相似的。经过曲线变化，它们可以近似重合，曲线变化的过程中间的这些差异就很容易计算。根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法，就可以进行上文提到的一致性的均衡，当然这种算法的时间过长，需要进行简化。
3
内短路触发热失控
波音787客机曾因电池爆炸起火。在查找事故原因时，发现电极和隔膜上有金属物，产生了内短路。虽然专家无法100%确认热失控是由内短路触发的，但它是最可能的原因，因为找不到其他原因，且内短路没办法“浮现”。
电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且不知道它什么时候会出现热失控。若进行试验，无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程，都在研究当中。
要解决内短路问题，首先要找到产品品质好的电池厂商，选择电池及电池单体容量；其次对内短路进行安全预测，在没有发生热失控之前，要找到有内短路的单体。
这意味着必须要找到单体的特征参数，可以先从一致性着手。电池是不一致的，内阻也是不一致的，只要找到中间有变异的单体，就可以将其辨别出来。
具体而言，正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路，方程的形式实际上是一样的，只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究，看其在内短路变化中的一些特征。
其中特征之一就是内短路单体的电势差，比较其内阻跟其他单体的差异。欧阳明高提出，研发人员要利用模型来进行单体的辨识。在测出每个单体的电压、电流后，利用这些数据再结合模型，就可以把每个单体的内阻预估出来。再把单体的参数全部预估出来后，根据参数的变化，便可以判断其一致性是否发生了显著性变化。
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机械触发热失控
碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式。特斯拉屡次发生起火事故就是这个原因。欧阳明高透露，清华大学跟MIT共同合作对特斯拉在美国的碰撞事故进行过分析。如果在实验室进行碰撞的一个仿真，最接近的是针刺。
欧阳明高还表示，通过对三元锂电池和磷酸铁锂电池进行针刺试验，研究热失控过程，发现磷酸铁锂电池在这个热失控过程中没有三元锂电池放热表现的那么剧烈。实验表明，不同的材料在针刺的时候会有不同的反应，磷酸铁锂相对安全。
