[汽車之家 電動車技術(shù)]  什么是純電動車發(fā)展道路上的絆腳石？這個問題的答案不只一個,，但眾多答案當(dāng)中,，有一個最受到大家的重視，那就是電動車的安全問題,，因為它和我們的生命安全息息相關(guān),。而在眾多影響電動車安全的問題當(dāng)中，電池安全最棘手,、影響也最大,，于是這一次我們打算用四期選題，追根溯源,，從動力電池的發(fā)展,、現(xiàn)狀、未來等不同階段,，以動力電池輻射到整車,，剖析純電動車的安全問題。

　　本期是該系列選題的第一期,，我們將帶您回到中世紀(jì),，看看電池是如何誕生的，作為驅(qū)動車輛的能源,，它又經(jīng)歷了什么,，從什么時候開始，它變成了“危險份子”,？

　　如果這世界上真的有時光機(jī)，那讓我們回到1786的一天，在意大利一個潮濕,、充滿腥氣的解剖室當(dāng)中,，來自意大利的解剖學(xué)家Luigi Galvani（伽爾瓦尼）和他的助手正準(zhǔn)備解剖一只死青蛙。當(dāng)他雙手舉著手術(shù)刀,，碰觸到青蛙的腿部時,，青蛙的腿部肌肉抽搐了一下。

　　這個名叫伏特的小伙子不僅是個貴族,，同時還是一個物理學(xué)家,，他受到本杰明·富蘭克林的啟發(fā)，多次實驗論證,，產(chǎn)生電流的并不是青蛙的肌肉,，而是一些液體和兩塊異質(zhì)金屬。盡管伽爾瓦尼的結(jié)論并不準(zhǔn)確,，但從他開始,，人們就開啟了一系列對可儲存電能的研究。

　　可能是伏特太過于沉迷于掌聲,，他并沒有深入對這些電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行研究,，電流產(chǎn)生的基本原理，他并不知道,。正如在發(fā)明了罐頭之后很多年人們才發(fā)明了開瓶器一樣,，很長一段時間內(nèi)，人們并不知道電堆產(chǎn)生電的原理,。

　　實際上“伏特電堆”的銀片和鋅片就是后來我們說的電池的正負(fù)極,，而鹽水浸濕的紙片就是后來的電解質(zhì)。當(dāng)時的科學(xué)家對化學(xué)電池進(jìn)行了多方面的嘗試,，人們發(fā)現(xiàn)在電池產(chǎn)生電的同時,，還會出現(xiàn)很多氣泡（氫氣），氣泡控制不好,，電池就容易膨脹,、爆炸。

　　這時候的電池,，電壓低,、容易爆炸、因為電解質(zhì)使用的是硫酸,，所以還有搬運(yùn)不方便的問題存在,，于是1888年，化學(xué)家卡斯尼爾將淀粉加入電解質(zhì)中,，制成漿糊狀,，從此這類電池就被成為“干電池”,。在這里需要說明一下，現(xiàn)在動力電池當(dāng)中的電解質(zhì)也是漿糊狀的,，但為了和固態(tài)電池當(dāng)中固態(tài)的電解質(zhì)區(qū)分,，我們也通常將前者叫做電解液。

　　隨后鎳鎘,、鎳鐵電池被發(fā)明出來,，但由于當(dāng)時這些材料比其它蓄電池的料貴得多，因此實際應(yīng)用受到了阻礙,，但這也讓鎳這種正極材料體系的電池開始進(jìn)入了人們的視野,。之后科學(xué)家對電池的研究，都在如何讓電池的電力更持久,、更安全,、成本更低的道路上不斷努力。

　　如果大家還能背出元素周期表,，那就會知道排在前列的鋰是比較活潑的金屬元素,，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將復(fù)合材料混合鋰離子制成的電池能放出的電量最多，而且鋰的重量非常輕,，用它制作的電池體積非常小,，為電池的廣泛推廣、應(yīng)用打下基礎(chǔ),，但事物總有雙面性,，鋰過于活躍，容易發(fā)生內(nèi)短路,，存在的安全隱患比較多,。

　　由于鋰活性較高，遇到水或者空氣都會發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致燃燒和爆炸,，那么如何穩(wěn)定它呢,？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，因此嘗試?yán)�用這個特性制作充電電池,，首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功,。

　　由于該思路和當(dāng)時鋰離子電池研究的方向不大一致，當(dāng)時沒有任何一家企業(yè)敢接古迪納夫的發(fā)明,，甚至他的母校牛津大學(xué)都不愿意為其申請專利,。不過這時候一家來自日本的公司伸出了橄欖枝，它就是索尼公司,。至此鋰離子電池發(fā)展的“權(quán)杖”從歐洲轉(zhuǎn)移到了亞洲,。

　　實際上從1992年索尼將鋰離子電池商業(yè)化之后，鋰離子電池開始大量在消費(fèi)電子產(chǎn)品中出現(xiàn),，廣泛的應(yīng)用不僅拉低了它的成本,，同時也推動了鋰離子電池的發(fā)展,，能量密度更高、續(xù)航里程更長,，充電倍率更高,、各種材料體系的鋰離子電池出現(xiàn)：鈷酸鋰、磷酸鐵鋰,、三元鋰電池層出不窮。

　　磷酸鐵鋰材料相比鈷酸鋰材料擁有更結(jié)實的晶體結(jié)構(gòu),，這意味著更加耐久和安全,，并且它的主要構(gòu)成元素是我們生活中隨處可見的鐵和磷，所以生產(chǎn)成本要比鈷酸鋰低得多,。后來人們對電池的能量密度又不太滿意了,，于是更高電壓、能量密度更高的三元鋰電池出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中,。

　　從電化學(xué)電池的發(fā)展歷程來看,，它起源自歐洲，在亞洲被發(fā)揚(yáng)光大,，通過多年的發(fā)展,，目前鉛酸電池、鎳鉻電池,、鎳氫電池,、鋰離子電池，它們因為各自的“個性”特征被應(yīng)用在生活的各個方面,。那么鋰電池在這么多電池種類當(dāng)中,，憑什么脫穎而出成為車輛動力電池的優(yōu)選？本身帶有不穩(wěn)定性的它,，為什么還能讓車企業(yè)趨之若鶩呢,？

　　早期的電動車風(fēng)靡了很短暫的一陣，由于當(dāng)時用作動力的鉛酸電池體積大,、質(zhì)量大,、能量密度小，電池重達(dá)1200磅,，進(jìn)行維護(hù)的時候需要將其整個取下,，且在電池的底部會形成沉淀物，不定時清理容易造成短路,，硫酸等電解液會流出,，造成中毒或發(fā)生爆炸。汽油車的先驅(qū)Charles Duryea查爾斯·杜里埃曾開玩笑地說：“一組電池比一座全是病人的醫(yī)院還難伺候”,。當(dāng)時的電動車沒能發(fā)展起來還有一個重要的原因,，當(dāng)時電動車依然是貴族的工具,，因為歐洲很多地方家里還沒有通電。

　　EV1使用的是鉛酸電池組,，續(xù)航僅為96公里,，鉛酸電池續(xù)航能力差也成為電動車不能逾越的一道坎，盡管隨后通用使用了鎳合金電池組代替鉛酸電池,，但續(xù)航里程僅達(dá)到260公里,，和汽油車沒法比，且電池里的材料造價不菲,、污染嚴(yán)重,。

　　福特也曾嘗試使用鈉硫電池當(dāng)作動力電池，它的續(xù)航能力是鉛酸電池的三倍,，但這種電池在實驗室中頻頻起火,，最終沒能應(yīng)用到量產(chǎn)車上。雖然純電動車型的發(fā)展受到了阻礙,，但油電混合動力車型在這個階段有了一定的發(fā)展,，鎳氫電池也是在這時被廣泛使用，它穩(wěn)定性高,、耐過充過放,，即便能量密度低，續(xù)航里程少,，但由于車型不單單是靠電力驅(qū)動,，因此它的缺點也能被人們所接受。

　　車用動力電池從誕生起就一直在循環(huán)性能,、成本,、安全性、能量密度,、容量這幾大方面尋找平衡點,。實際上不僅是車用動力電池，這幾大方面甚至貫穿了整個電池發(fā)展200多年的時間,，人們在互相拉扯,、選擇之間推動著事物的發(fā)展，可以預(yù)見的未來是我們還將在這些方面不斷探索和前進(jìn),，作為車用動力電池來說,，如何達(dá)到最完美的平衡，需要的可能是我們?nèi)�人類的努��,。（�?圖 汽車之家 姜田雙）

下期預(yù)告：

　　經(jīng)過多年市場選擇,，鋰電池因為體積小，能量大，多次重復(fù)可充且無污染成為了車企的寵兒,，唯一的缺點就是不那么穩(wěn)定,，于是人們試圖通過電池的材料選擇、生產(chǎn)工藝和給電池安裝管理系統(tǒng)來保證安全性,。下期文章我們將從鋰離子電池不安全的罪魁禍?zhǔn)渍f起,，看看鋰電池的安全問題是否避無可避？引起現(xiàn)在電動車起火,、爆炸的外因,、內(nèi)因又有哪些？

　　[汽車之家 電動車技術(shù)]　　電動車安全問題一直是熱門話題,，近期關(guān)于“811”三元鋰電池不安全的討論甚囂塵上,，但脫離電池包、車輛整體單討論電芯未免過于片面,。為什么這么說？因為引發(fā)動力電池不安全的原因很多,，這一期我們就從鋰電池內(nèi)部探討一下,，導(dǎo)致鋰離子電池不安全的罪魁禍?zhǔn)椎降资鞘裁矗楷F(xiàn)階段引起電動車起火,、爆炸的內(nèi),、外因又有哪些？鋰電池的安全問題是否避無可避,？

　　在說鋰電池的不安全性之前,，我們還得復(fù)習(xí)一下上一期的內(nèi)容，上一期,，我們從歷史的長河中了解了電池的誕生史,，綜合各方面能力，鋰電池是目前純電動乘用車動力電池的最佳之選,。鋰電池的基本結(jié)構(gòu)是由正極,、負(fù)極、隔膜和電解液組成,，根據(jù)我們之前講的,，鋰電池可以實現(xiàn)放電、充電,，實際上是鋰離子在正,、負(fù)極之間來回運(yùn)動，發(fā)生氧化/還原反應(yīng),，這也是鋰電池被稱為“搖擺電池”的原因之一,。

　　鋰電池發(fā)生氧化還原反應(yīng)時會釋放一定的熱量和氣體，當(dāng)內(nèi)部的熱量高于散熱速率,，就會導(dǎo)致 “熱失控”現(xiàn)象,�,！盁崾Э亍爆F(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就意味著潘多拉的魔盒被打開了,，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會形成連鎖反應(yīng),，一旦“熱失控”現(xiàn)象無法被及時控制，極易引起燃燒,、爆炸,。

　　從鋰電池的工作原理我們可以得知，鋰電池自燃,、爆炸的罪魁禍?zhǔn)资恰盁崾Э亍�,，那什么情況下會引起“熱失控”？它真的避無可避嗎,？ 

　　想要回答這個問題可能不是特別容易,，因為引起鋰電池“熱失控”的因素有很多，而且是相互混合的,，總體可以歸結(jié)為電池內(nèi),、外短路、電氣濫用和機(jī)械濫用三大種,。電池內(nèi),、外短路是指由于電池材料、生產(chǎn)原因而引起的內(nèi)部短路,，進(jìn)而釋放了大量熱量導(dǎo)致的“熱失控”,，在這里我們將單體電芯的內(nèi)短路和電池包內(nèi)的短路都?xì)w到這一類。

　　三元鋰電池當(dāng)中鎳的比重越多,，也代表著不穩(wěn)定因素越多,，熱失控的危險系數(shù)越高。一般的三元鋰電池?zé)崾Э販囟鹊陀?00℃,，一些高鎳比例的三元鋰電池?zé)崾Э販囟壬踔恋陀?00℃,，這也是目前不少人詬病高鎳比例三元鋰電池的原因。

　　而另一種鋰電池磷酸鐵鋰電池,，它的穩(wěn)定性要比三元鋰電池要好,，磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э販囟绕毡樵?00℃以上，相對來說安全性更高,，但磷酸鐵鋰電池也有缺點就是能量密度低,，目前主流的磷酸鐵鋰電池能量密度一般在140-190Wh/kg左右。

　　三元鋰在容量,、能量密度上都有優(yōu)勢,，能夠帶來更長的續(xù)航里程，只要控制得當(dāng)，它的優(yōu)勢能夠掩蓋它的劣勢,，這也是當(dāng)前不少車企選擇三元鋰電池的原因之一,。而磷酸鐵鋰在循環(huán)性能、安全性和成本上有一定的優(yōu)勢,，也有不少車企開始重新選擇使用磷酸鐵鋰電池,，尤其是在一些對續(xù)航里程沒有那么剛性需求的車型上，比如微型車,、小型代步車等,。

　　從市場環(huán)境來看，目前車載動力電池基本分為兩大陣營,，磷酸鐵鋰和三元鋰,，且三元鋰電池的裝機(jī)量依然擁有較大的市場占有率。從安全的角度來說,，降低電池內(nèi),、外短路風(fēng)險的辦法之一就是選擇相對穩(wěn)定的材料，或者加重電池材料當(dāng)中的穩(wěn)定物質(zhì),，比如錳,、鋁的配備。不過高鎳的三元鋰電池也不是洪水猛獸,，電池廠商和車企有電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液配方,、隔膜特性,、生產(chǎn)工藝模組和電池包的安全設(shè)計等一系列的解決方案。

○解決方案一：優(yōu)化電芯結(jié)構(gòu),、提高產(chǎn)品素質(zhì)

　　這也是為什么車企都在追逐頭部電池企業(yè),，都選擇使用它們的電芯，因為這類電池制造商的良品率,、穩(wěn)定性和一致性相對較高,。此外，針對鋰電池內(nèi)部電解液的易燃性,，一些電池廠商還會增加一些不易燃燒的電解質(zhì)涂層,，比如陶瓷涂層，目的就是為了延長電池?zé)崾Э氐臅r間,。

○解決方案二：選擇合適的封包形式,、模組

　　除了材料選擇關(guān)系到電池的安全性，它的封裝形式對安全性起到至關(guān)重要的作用,。目前我們主流的電池包裝方式以外殼形狀分為圓柱型,、方殼型、軟包型三種。

　　早期的特斯拉Model S配備了7000節(jié)單體電芯,，一個電池都不好控制,，大量電池?zé)o疑會增加安全防控技術(shù)的負(fù)擔(dān)。目前主流的車企也逐漸“拋棄”了圓柱型動力電池,。根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示2017年我國新能源汽車圓柱動力電池裝機(jī)總電量約12.57GWh,，2018年裝機(jī)總電量減少到7.11GWh，到2019年圓柱電池裝機(jī)量不足5GWh,。

　　電體電芯的安全需要把控,，電池模組甚至是整個電池包的排布也非常講究，電池包內(nèi)部的線束,、殼體都容易造成電池包的短路,。

　　除了電池內(nèi)、外的短路,，引起電池“熱失控”的另一個誘因就是電氣濫用,，這里指的是過充、過放電,、低溫下大電流充電等,，這些都會增加電池“熱失控”的風(fēng)險。

　　過度充電會導(dǎo)致過多鋰離子嵌入負(fù)極無法脫嵌,，若過度放電,，會導(dǎo)致負(fù)極層級結(jié)構(gòu)崩塌，使鋰離子無法再嵌入其中,，久而久之產(chǎn)生的結(jié)果就是電池容量降低,、壽命縮短，而且過充還加劇鋰枝晶的成長,。

○解決方案一：電路保護(hù),、配備大管家

　　電池管理系統(tǒng)包括電池傳感器和電池溫控系統(tǒng)，電池傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)控每個電芯的電壓和溫度,，確保電池包內(nèi)的平衡,，不會出現(xiàn)某個單體電池過充、另一個又充不滿,。且一旦發(fā)現(xiàn)不正�,，F(xiàn)象，系統(tǒng)能夠及時上報到車輛電腦內(nèi),，并發(fā)出警報,，以便駕乘人員有足夠的時間做出判斷。

○解決方案二：強(qiáng)制鎖電

　　一些車企會提供車輛充電上限可調(diào)節(jié),，用戶可設(shè)定每次充電的上限,，并通過用戶手冊對車主進(jìn)行教育,，充到80%以上即可�,？焖俪潆姇r,，電量達(dá)到80%以上，電流會下降也可以看作是保護(hù)電池過充的方法之一,，選擇上述哪種方法來保護(hù)電池健康是每個汽車廠商不同策略的選擇,，隨著人們對電動車安全問題越來越關(guān)注，電池保護(hù)也逐漸成為了更多汽車廠商研究的課題,。

　　機(jī)械濫用是由于外力的作用,，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形,，導(dǎo)致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內(nèi)部短路,，易燃電解質(zhì)泄漏最終引發(fā)起火。這個誘因很好理解,，不用說那么多理論來解釋了,，也因為如此，它的解決方案也比較直接,，一則是防,，另一則是隔。

○解決方案一：提高抗擊打能力

○解決方案二：避免殃及池魚

　　防,，是保護(hù)電池不受外力沖擊的第一層關(guān)卡,，不過一旦發(fā)生了熱失控或者電池包內(nèi)一個電芯出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，那就需要第二道關(guān)卡來保護(hù)安全了,，那就是隔,。

　　總體來說，無論是增加電池包內(nèi)的隔離材料還是增加隔離空間都會造成電池包增重,、降低電池包內(nèi)容量，都會影響到整車的續(xù)航里程,，也正因如此,，一些車企也會為了追求更高的續(xù)航里程而走更加激進(jìn)的路線，放棄這部分設(shè)計,。

全文總結(jié)：

　　我們知道了鋰電池危險的源頭來自“熱失控”,，而導(dǎo)致“熱失控”的誘因不僅來自電池原材料，還和電芯生產(chǎn)工藝,、模組設(shè)計甚至與電池包內(nèi)電池管理系統(tǒng),、車身結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，所以要討論動力電池安全與否,，也不能單單從它是三元鋰還是磷酸鐵鋰這么片面的角度去討論,，而是要看電池包整體甚至是車輛整體的設(shè)計,。反過來說，車企想要選擇能量密度更高的高鎳三元鋰電池,，就要有更為系統(tǒng)性的規(guī)劃和更為出色的電池管理系統(tǒng),，來平衡它的不穩(wěn)定性。（文/圖 汽車之家 姜田雙）

下期預(yù)告：

　　這兩期我們從歷史和原理上解決了一個問題,，“鋰電池為什么不安全”,，下面一期我們將重點圍繞我國純電動車電池安全的現(xiàn)狀，看看目前困擾我們的電池安全問題都有哪些,？國家有沒有什么相關(guān)的法規(guī),、標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范純電動車的安全問題，而我們的車企和電池廠商為了安全問題都做了些什么,？