電動汽車動力鋰電池的使用風(fēng)險及保障措施

葛欣

南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院 江蘇省揚州市 225127

1 引言

人類進(jìn)入工業(yè)文明時代以來，加速了對自然資源的攫取，一度以破壞環(huán)境為代價創(chuàng)造物質(zhì)財富。地球資源在長期掠奪下逐漸匱乏，人與自然的深層次矛盾日益凸顯，極端氣候頻發(fā)，生物多樣性喪失。中國中國基于推動構(gòu)建人類命運共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，承諾將力爭2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和。交通運輸行業(yè)是推動綠色發(fā)展，實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵領(lǐng)域，近年來新能源汽車銷量節(jié)節(jié)攀升。2020 年國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》，貫徹落實新能源汽車戰(zhàn)略，2021 年新能源汽車的銷量出現(xiàn)倍增。在此環(huán)境背景下，電動汽車行業(yè)已經(jīng)成為國家重點進(jìn)行扶持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

動力電池是新能源汽車的核心部件，多以鋰電池作為電動汽車的動力電池。鋰電池指的是鋰離子電池，是20 世紀(jì)開發(fā)的新型高能電池，具有單體電壓高、比能量高的優(yōu)點。單體電壓高意味著達(dá)到電動汽車工作電壓所需的電池單體數(shù)量更少，電池系統(tǒng)容易取得更好的一致性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也被大大降低；比能量高意味著獲得同等能量的情況下，鋰電池系統(tǒng)的重量更輕，這對降低電動汽車的整車重量、提高電動汽車的續(xù)航能力有非常重要的意義。

圖1 近七年中國新能源汽車銷量數(shù)據(jù)[1]

雖然鋰電池在儲能和放電方面有很大優(yōu)勢，但由于鋰離子的活潑性以及在生產(chǎn)過程中工藝、生產(chǎn)線等因素的影響，鋰電池在使用過程中仍存在著續(xù)航能力差、低溫充電困難、電池泄露、熱失控等風(fēng)險。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅速升溫，越來越多的人開始關(guān)注新能源汽車，而鋰電池的風(fēng)險讓消費者對新能源汽車的安全性能產(chǎn)生質(zhì)疑，在一定程度上也影響了新能源汽車的推廣。

2 電動汽車動力鋰電池的風(fēng)險分析

鋰電池使用過程中存在的風(fēng)險有兩類，一類是使用體驗感風(fēng)險，一類是使用安全感風(fēng)險。體驗感風(fēng)險包括續(xù)航問題、低溫充能問題等，安全感風(fēng)險包括電池泄露、熱失控等。

2.1 體驗感風(fēng)險

體驗感風(fēng)險是指電動汽車在使用過程中本身不會危害人的生命安全、但會頻繁發(fā)生而造成消費者焦慮心理的風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)，電動汽車使用者常常會有“里程焦慮”和“充電焦慮”，這是由于電動汽車充電難、充電慢造成的，特別是在寒冷的冬季，低溫條件下電池容量驟降，嚴(yán)重影響續(xù)航能力，長期處于低溫環(huán)境甚至?xí)斐呻姵夭豢赡娴膿p傷，而更換動力電池?zé)o疑會給消費者帶來較大的經(jīng)濟損失。

2.1.1 續(xù)航問題

雖然動力鋰電池相比常規(guī)鉛酸電池具有更高的比能量，但經(jīng)過不斷充放電循環(huán)，電池容量不可避免的有所下降，電動汽車的續(xù)航里程逐漸低于設(shè)計值，使用者需要頻繁充電來維持日常使用。目前電動汽車常用的充電方式主要有三種：便攜式充電、家用充電樁充電和公共充電樁充電，三種方式各有優(yōu)缺點，詳細(xì)如下表所示。

表1 電動汽車常見充電方式優(yōu)缺點

與普通燃油車相比，電動汽車充電難主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是目前國內(nèi)電動汽車充電樁還沒有像加油站一樣普及，三四線城市更是少有公共充電樁網(wǎng)點，車主難以便捷地步行往返充電處和住處。另一方面是電動汽車充電時間長，不像燃油車加油即加即走。如果出行前沒有及時充電，在日常行駛過程中發(fā)現(xiàn)電力不足，一來不容易就近找到充電樁，甚至剩余電量不支持行駛到充電樁位置，二來充電慢，車主將面臨長時間的等待。

針對電動汽車充電慢的問題，技術(shù)人員也在積極尋求解決辦法，很多新推出的純電動車都搭載了快充技術(shù)。普通慢充是按照8小時充滿設(shè)計的，而電動汽車的快充技術(shù)可以在幾十分鐘內(nèi)將電池充電到80%?？斐浼夹g(shù)給城市電動公共交通的運行帶來了極大便利，但在私家電車領(lǐng)域只有小規(guī)模的應(yīng)用。不少消費者認(rèn)為快充技術(shù)會對電池造成損傷，其實快充技術(shù)在使用大功率充電至80%后，為了保護(hù)電池安全，會減小充電電流直至充滿，只要使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的充電樁，電池的使用壽命不會受到明顯影響。

而針對公共充電樁網(wǎng)點少的問題，目前電動汽車的推廣重點落于一二線城市，隨著新能源汽車戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括公共充電樁和汽車維修點，在全國范圍內(nèi)也必然呈現(xiàn)數(shù)量上的劇增和分布上的均衡。

2.1.2 低溫充能問題

正如發(fā)動機是燃油車的心臟，動力電池也是電動汽車的心臟，電動汽車的性能很大程度上受到動力電池性能的影響。動力鋰電池作為一種電化學(xué)裝置，其性能受溫度的影響很大，尤其在低溫環(huán)境下，性能下降尤為顯著。中國是一個幅員遼闊的國度，很大一部分國土處于中緯度地區(qū)，氣旋活動頻繁，季節(jié)變化明顯，北方地區(qū)寒冷的冬季甚至可以達(dá)到5～6 個月，因此目前電動汽車在北方地區(qū)難以推廣。

以普通鋰電池為例，充電時，正極上的鋰原子分解成鋰離子和電子，電子通過外電路到達(dá)負(fù)極，鋰離子通過隔膜層到達(dá)負(fù)極；在負(fù)極，鋰離子與電子結(jié)合變成鋰原子。放電時反應(yīng)剛好相反，負(fù)極中的鋰原子分解后在正極復(fù)合。鋰電池的充放電過程實際上就是鋰離子不斷嵌入和脫出正負(fù)極、并在電解質(zhì)溶液中不斷進(jìn)行交換的過程。

圖2 鋰電池充放電工作原理圖

電解質(zhì)溶液作為傳遞媒介，起著輸送離子傳導(dǎo)電流的作用，鋰電池在低溫環(huán)境下容量驟降也是電解質(zhì)溶液的性質(zhì)導(dǎo)致的。為了保證鋰電池能穩(wěn)定工作在較高的工作電壓下，鋰電池的電解質(zhì)溶液一般選擇導(dǎo)電鋰鹽的非水有機溶劑，而低溫環(huán)境下，電解質(zhì)溶液的粘度會明顯增大，甚至有一部分電解質(zhì)變成固體形態(tài)，增大了鋰離子在電解質(zhì)溶液中移動的阻力，這也就導(dǎo)致了鋰電池內(nèi)阻增大、容量下降等問題的出現(xiàn)。

針對此問題可以采取的措施有內(nèi)部措施和外部措施，內(nèi)部措施包括改良電解質(zhì)溶液的成分，降低電解質(zhì)溶液的凝固點，從而改善鋰電池的低溫性能，同時也可以研發(fā)低溫下擴散能力不會顯著下降的正負(fù)極材料，維持低溫條件下鋰電池內(nèi)部鋰離子交換傳導(dǎo)的進(jìn)行。外部措施包括加裝輔助加熱裝置，在給電動汽車充電前，先用輔熱裝置將電池溫度加熱到預(yù)設(shè)值再進(jìn)行充電操作。這是目前解決低溫充能問題的主流策略，但缺點是增加額外裝置會增加電動汽車的整車重量，增加成本，并且也增大了動力電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于檢修維護(hù)。應(yīng)對低溫充能問題，學(xué)者們還提出了利用充電時電池自身產(chǎn)熱的原理進(jìn)行低溫充電的方法[2]。實驗表明鋰電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下可以用較小的電流充入電量，并且小電流充電也可以使鋰電池系統(tǒng)的溫度有明顯的回升，低溫環(huán)境下電池系統(tǒng)的升溫可以使系統(tǒng)維持在正常的溫度范圍但又不至于過高。

2.2 安全感風(fēng)險

安全感風(fēng)險是指電動汽車在使用過程中由于電池系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的危及乘客生命安全的風(fēng)險，電動汽車起火、爆燃的事故報道無疑會降低消費者對電動汽車的信任感，據(jù)統(tǒng)計電動汽車的事故大多與動力電池有關(guān)。首先電池本身的質(zhì)量直接決定了電動汽車使用的安全系數(shù)，鋰是一種活潑金屬，在鋰電池的生產(chǎn)和檢驗過程中必須嚴(yán)格把關(guān)，合格的產(chǎn)品才能流入市場。另外鋰電池對工作溫度要求很高，最佳的工作溫度范圍為20～40℃[3]，超出這個溫度范圍就會影響其使用壽命和工作性能，低溫時會發(fā)生上述充能問題，而高溫時則會引發(fā)更加嚴(yán)重的熱失控現(xiàn)象。

2.2.1 電池泄露問題

如果動力電池發(fā)生泄露，電池中的電極材料及電解質(zhì)溶液的外泄極易引發(fā)車輛自燃，并且伴隨大量有毒汽液的滲出，引起更大范圍的火災(zāi)。鋰電池的制作流程包括合漿、注液、化成/ 脫氣、泄漏檢測等多重環(huán)節(jié)，泄露檢測環(huán)節(jié)尤為重要，它關(guān)系著電池出廠后能否長期穩(wěn)定地安全運行。封裝完畢的鋰電池可以釋放出O2、CO2、H2等氣體，然而我國目前尚未形成統(tǒng)一的針對封裝完畢的鋰電池氣體泄漏率的合格標(biāo)準(zhǔn)，因此在新能源汽車戰(zhàn)略推進(jìn)過程中要進(jìn)一步推動完善各項標(biāo)準(zhǔn)，為電動汽車的安全運行保駕護(hù)航。

2.2.2 熱失控問題

熱失控就是指由各種誘因引發(fā)的電池溫度積累性增強的一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)現(xiàn)象，熱失控散發(fā)出大量熱量和有害氣體，會引起電池著火和爆炸。熱失控的誘因主要可以分為以下三類[4]。

一是動力鋰電池過充電引起的熱失控。很多鋰電池?zé)崾Э囟际浅霈F(xiàn)在充電階段，過充會降低材料的熱失控溫度，特別在電池容量衰減以后常常會處于過充狀態(tài)。為了預(yù)防“過充電-熱失控”造成的危害，需要更加有效的安全管理，外部保護(hù)包括增加過充電保護(hù)電路、添加正溫度系數(shù)材料和優(yōu)化電池管理系統(tǒng)控制策略等，內(nèi)部保護(hù)包括改進(jìn)正負(fù)極材料、優(yōu)化隔膜材料、增加過充保護(hù)添加劑和使用氧化還原鉗制劑等[5]。

二是動力鋰電池內(nèi)部出現(xiàn)短路引起的熱失控。內(nèi)部短路有可能是因為電池本身存在質(zhì)量缺陷，如內(nèi)部出現(xiàn)毛刺；也可能是使用過程中出現(xiàn)了沖擊、碰撞、擠壓等原因。內(nèi)部短路后電池局部溫度升高，從而出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。針對“內(nèi)短路-熱失控”風(fēng)險，需要及時有效的在線診斷[6]，發(fā)現(xiàn)故障并切斷風(fēng)險根源，診斷依據(jù)大多選取內(nèi)短路時不同的電壓表現(xiàn)。

三是動力電池所處環(huán)境溫度過高而電池本身散熱不通暢而引起的熱失控。為了保證電池系統(tǒng)良好的散熱，電動汽車的鋰電池包模塊中除了電池，還包括可以實現(xiàn)自由組合的冷卻散熱單體。動力電池常用的冷卻散熱方法有四種，根據(jù)工作介質(zhì)的不同分為液體冷卻散熱、空氣冷卻散熱、相變材料冷卻散熱和熱管冷卻散熱。

3 總結(jié)

當(dāng)下能源形式日益嚴(yán)峻，新能源汽車的推廣是大勢所趨，而電動汽車的使用安全問題必然是行業(yè)關(guān)注的重中之重，必須從生產(chǎn)商產(chǎn)品出廠檢測和消費者使用過程監(jiān)測兩方面共同保障動力電池安全運行。

表2 國內(nèi)部分鋰離子動力電池檢測標(biāo)準(zhǔn)[7]

國內(nèi)現(xiàn)有的動力電池標(biāo)準(zhǔn)主要涉及電動汽車動力性、經(jīng)濟性、安全性，而對電池材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、反應(yīng)原理和生產(chǎn)過程關(guān)注較少。要想長遠(yuǎn)發(fā)展，必須要盡快建立健全完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，同時加強從業(yè)者培訓(xùn)，保證動力鋰電池的出廠質(zhì)量。

消費者在使用過程中要本著對生命負(fù)責(zé)的態(tài)度，做好日常養(yǎng)護(hù)，使用適配的充電器、充電樁，安裝各種監(jiān)測裝置，熟悉報警信號，學(xué)習(xí)必要的避險操作，提升駕駛電動汽車的安全系數(shù)。