三元材料是否退出电动商用车舞台,还要看安全性

李浩晨

【第一电动网】(特约作者 李浩晨)锂离子电池的正极材料主要分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等这几类。在对动力锂电池技术的路线进行选择时,无非从制造成本、能量密度、循环寿命、热稳定性和安全性上来进行综合比较,那么上述正极材料各有优劣。那么针对暂停三元锂电应用于电动商用车上来说,着力点应该在安全性上。

三元材料是否退出电动商用车舞台,还要看安全性

电池材料性质对安全性的影响

锂离子动力电池的安全事故发生主要是由于各种因素作用产生的热量积累在电池内部突然释放,造成温度升高使得内部化学反应的发生并形成燃烧乃至爆炸。动力电池之所以会出现安全事故不能光从正极材料本身来看,比如就有研究对锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料这三类电池的燃烧性及危险性进行评价,实验结果表明从易燃性和释热性来看,石墨负极是电池组件中最容易着火的组件,而且也是热释放强度最大的组件,其次是隔膜、正极。根据AHP法计算得到的电池组件火灾危险性指数,三类锂离子电池体系的火灾最大危险源均为隔膜,原因在于隔膜的热释放速率相对最大。

采用其他正极材料的动力电池用在电动汽车上并不是没有发生过安全事故,导致事故发生的原因各不相同。单独从正极材料而不结合使用环境来说安全性是没有任何说服力的。

而负极对动力电池安全性的影响主要通过与电解液之间的反应、黏结剂种类与含量、颗粒尺寸、表面SEI膜等进行。另外作为电池组成部分之一的电解液通常含有大量有机类化合物,极易燃烧。它的分解反应产生大量的热和可燃气体进一步加速正极的分解,会导致更多放热反应的进行。在出现金属穿刺电池内部形成大面积短路和电池受到挤压隔膜破裂导致正负极片短路这样的意外事故时,电池内部能量通过短路电阻形成的高温会造成电解液发生反应使得动力电池出现安全事故。

电池制备与使用对安全性的影响

动力电池的安全性要从整体设计出发,不仅与组成电池的各种材料性质有关,而且与电池制备技术和使用环境有关。例如从整体设计上看,一般电池的容量较高意味着具有较高的放热量,而体积大的电池组就会散热相对困难,热量更容易被累积,从而导致热稳定性降低。受到电池容量和体积大小的影响,动力电池的安全性与动力电池系统的结构设计有很大的关系。因此电池的PACK以及BMS在安全性上的重要性不言而喻,再安全的电池在设计不合理的结构和不成熟的BMS管理下也会发生安全事故。

从制备技术来看,正负极容量的配比大小能够影响到动力电池的安全性能,尤其是过充安全性能。当正负极浆料在配制上出现混合不均一或在进行涂布时的均匀度控制不当,黏结剂、导电剂和一些活性组分会在部分区域进行富集。过充过放会导致在该区域出现金属锂的析出或电池的变形。生产过程中的电池单体不一致性也会造成安全性的下降。

各种锂电池的生产设计标准能够在一定程度上保证它的安全性。目前对于动力电池安全性的研究,一般是通过短路测试、挤压测试、针刺实验、热箱测试、过充过放等项目检测电池能否发生漏液、燃烧甚至爆炸等现象来判断电池是否安全。然而汽车在道路运行当中是各种环境因素叠加在一起作用在动力电池组上,影响动力电池组安全性的使用因素复杂多变。

虽然工信部将组织开展对三元锂电池的风险评估,暂停三元锂电池在商用车上的应用。从安全角度出发,这无可厚非。但从业人员不必忧虑愤慨,做好自身的本职工作,用事实去证明三元是否适合。其实不光是安全性问题,目前对动力电池系统的其他认识也远远还不够,这何妨不是一个借机去解决需要解决的问题。可以预见到往后两年内的新能源汽车事故发生的概率,与其亡羊补牢不如未雨绸缪,中国的新能源汽车事业仍需要大家一起努力。

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