鉅大LARGE | 點擊量：1632次 | 2019年04月13日
動力電池“熱失控”問題
就在吃瓜群眾樂此不疲的旁觀特斯拉大幅降價，車主非理智維權的鬧劇此起彼伏的上演。在過去的6年中（2013-2019），搭載7000節(jié)至9000節(jié)松下制造的18650型鎳鈷錳酸鋰三元電池的特斯拉ModelS/X系列電動車，已經(jīng)在全球范圍發(fā)生近50宗，行駛、充電及碰撞引發(fā)的自燃、燃燒及爆炸安全事故。可悲的是，特斯拉官方始終沒有公布近50宗特斯拉S/X電動車，始終沒有正面公布搭載數(shù)千節(jié)18650型電芯而引發(fā)的自燃、燃燒及爆炸事故。
然而，橫向比對美國、歐洲、日本及中國制造的使用軟包、方形三元鋰電芯的不同型號電動汽車，出現(xiàn)的燃燒事故明顯低于搭載7000節(jié)至9000節(jié)18650型三元鋰電芯的特斯拉系電動車。那么為什么會出現(xiàn)這種不可避免的缺陷型安全事故？答案很簡單，就是在整車設計之初，就沒有對適配的電池種類進行最基本的安全性研究。
1、動力電池“熱失控”問題頻頻，安全被重新放在第一位：
2018年9月20日，在第二屆全球未來出行大會上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高，對近兩年頻繁發(fā)生的電動汽車安全事故時指出，現(xiàn)有的補貼政策導致車企在技術驗證過程急功近利，是電動汽車出現(xiàn)安全質(zhì)量問題的原因之一。以動力電池系統(tǒng)能量密度、續(xù)航里程、單位能耗為評價標準，這是2018新能源汽車政策的三大核心指標。而2020年動力電池單體達到300wh/kg更是橫在動力電池生產(chǎn)企業(yè)頭上的達摩克利斯之劍。一方面產(chǎn)業(yè)政策的指引下整車企業(yè)為了能夠很好的迎合補貼政策的要求，不斷的對提升對電池能力密度的要求；另一方面，新能源汽車市場的快速增長激發(fā)了結構性的供需失衡，鋰鈷等核心原材料價格持續(xù)暴漲。動力電池行業(yè)的全行業(yè)“大躍進”在2018年顯得尤為明顯。
為什么說2018年是中國動力電池行業(yè)的“大躍進”，從最近兩三年的動力電池行業(yè)發(fā)展趨勢中國動力電池行業(yè)的發(fā)展可見一斑。2017年，鎳鈷錳三元作為乘用車動力電池的唯一技術路線在中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)得以確立，原本二分天下的磷酸鐵鋰電池黯然退出，市場上采用磷酸鐵鋰動力電池的新能源乘用車在2017年之后的市場上再也不見蹤影。而對動力電池安全性要求非常高的公共交通領域，磷酸鐵鋰電池依然是絕對的霸主。雖然單成組效率高；工作溫度范圍寬泛，400攝氏度以上依然不會出現(xiàn)大面積熱失控；但是依然無法與強大的產(chǎn)業(yè)政策抗衡，而動力電池行業(yè)的“大躍進”就是在產(chǎn)業(yè)政策的指引下如火如荼的開始了快速發(fā)展。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2017年，中國新能源動力電池行業(yè)鎳鈷錳三元動力電池普遍采用的是配方比例為1：1：1的鎳鈷錳三元正極材料，動力電池單體能量密度約為170wh/kg；2018年全行業(yè)的鎳鈷錳三元的配方比例就變成5：2：3的配方比例，動力電池單體能量密度約為210wh/kg左右；而在2018年即將結束的時候，國內(nèi)某龍頭動力電池生產(chǎn)企業(yè)就迫不及待的宣布將大規(guī)模投產(chǎn)8：1：1配方比例的鎳鈷錳三元，動力電池單體能量密度超過300wh/kg。但凡關注新能源汽車行業(yè)發(fā)展的人都知道，三元動力電池在111ncm時，化學穩(wěn)定性和安全性均較好；從523ncm開始，熱失控的風險就已經(jīng)必須受到高度關注了，至于811ncm，如果電池良品率、內(nèi)阻一致性、焊接工藝、散熱系統(tǒng)效能、bms……任何一項有問題就會導致極其嚴重的后果。如果622ncm、811ncm等高鎳三元熱失控問題不能有一個全面且高效的解決方案，動力電池熱失控后上千攝氏度的高溫會讓目前的各種消防設施束手無策，只能坐等動力電池燒光為止。那時候，車上的用戶就不僅僅是“小白鼠”那么簡單，或許事故之后連骨灰都找不到。
2、“熱失控”不是洪水猛獸，全行業(yè)都在行動：
雖然“熱失控”聽起來很可怕，但是也不是完全沒有解決方案。從動力電池本身入手的方案最直接有效的就是通過添加劑改性提高LiPF6（六氟磷酸鋰）的耐受溫度。眾所周知，在真正的“固態(tài)電解質(zhì)”沒有真正大規(guī)模商業(yè)應用之前，即使是目前電解液的用量非常的少，但是“熱失控”最大的罪魁禍首依然是電解液。雖然六氟磷酸鋰是目前電池正負極間離子交換介質(zhì)中的最佳選擇，但是當溫度達到60攝氏度以上的時候，六氟磷酸鋰就開始分解并釋放氣體。目前行業(yè)解決“熱失控”最直接的辦法就是通過添加劑改性，提高六氟磷酸鋰的分解溫度來降低“熱失控”的風險或者采用新型電解液直接替代，而雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI就是一個重要的方向）。
除了動力電池本身的改良之外，在應用端我們發(fā)現(xiàn)有很多的新能源汽車開發(fā)者們也在孜孜不倦的努力著。而接下來聊的這個企業(yè)不但是“造車新勢力”，更是“造車新勢力”中的異類。至少在安全上，他們相比眾多的新能源汽車企業(yè)有著更高的追求。在他們看來，作為交通出行的參與者，安全不僅僅是駕駛者一個人或者是他所駕駛的這一輛車的事情，它的影響會波及到其他的交通參與者甚至于影響到交通參與者之外的公共安全。
3、苦干三年只為一個一個理由——安全
既然將安全放在首要位置，他們所做的工作注定是默默無聞的。相比那幾個聚焦在鎂光燈下的“新勢力”，這個“新勢力”的異類似乎并沒有將頻頻曝光和吸引融資作為企業(yè)發(fā)展的頭等大事。在筆者與這家企業(yè)的研發(fā)負責人面對面交流的時候，他把整個開發(fā)過程中的細節(jié)一點點的耐心的進行講解。對于諸多的“新勢力”而言，講細節(jié)是一件非?？膳碌氖虑?。畢竟將自己暴露在鎂光燈下就要經(jīng)受社會的諸多考驗，而一旦細節(jié)上講的太多很容易“露餡”，就想某風口浪尖上的“新勢力”企業(yè)的最高負責人之一曾經(jīng)公開說過他們的產(chǎn)品使用的線束長達幾公里這句話就暴露了這個企業(yè)的一些細節(jié)上的問題。
對于新能源汽車而言，系統(tǒng)集成度以及企業(yè)的系統(tǒng)集成能力決定了整車整備質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障率、單位能耗等很多指標，而幾公里長的線束這句話雖然看似無關痛癢，實則體現(xiàn)了這個企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程當中孱弱的系統(tǒng)集成能力，甚至說明了這個企業(yè)更多的只能依托尚不成熟的新能源汽車全球供應鏈來拼湊自己的整個系統(tǒng)。
接下來我們來說說這個受訪企業(yè)的研發(fā)負責人是如何在三年之中只干了一件看似簡單卻至關重要的事情——安全。
說起安全這件事，似乎已經(jīng)深深的植入這個企業(yè)的核心理念當中。產(chǎn)品開發(fā)之初，首先擺在他們眼前的事情就是如何選擇動力電池的單體。其實，在技術路線尚未正式固化，全世界還在摸索的時候，龍頭企業(yè)的技術路線往往是追隨者們的最佳選擇，理所當然的他們首先選擇了18650這種規(guī)格。畢竟目前市場上最成功的特斯拉就是全球第一將18650這個原本只在消費電子領域使用的電池單體“成功”的移植到了電動汽車上并獲得了階段性的成功。雖然在安全問題上特斯拉頻頻出事，但是依靠這個企業(yè)領袖在IT領域的個人魅力，似乎燒個把車、死個把人都能夠成為小概率事件或者是用戶自己的問題。
而對于這家將安全作為核心價值之一的企業(yè)，盲目的崇拜不是他們的風格。既然選擇了18650這種規(guī)格，他們就開始根據(jù)自己的理念開始對這種電池進行了“考驗”。然而考驗剛剛開始，諸多的問題也就接踵而至。首先的問題就是這種電池極片的焊接工藝的問題，他們在測試當中發(fā)現(xiàn)，提供給他們測試使用的國內(nèi)某18650電池的極片焊接并不能滿足他們的要求。電池單體在放電時極片焊接部位所產(chǎn)生的高溫對電芯正負極片將產(chǎn)生熱沖擊并造成不可逆的損傷。同時，電池單體通過激光焊接并聯(lián)之后，電池單體原本的性狀也發(fā)生了極大的改變，但是電池企業(yè)卻并不認同。成組之后的電池單體性狀更是出現(xiàn)了更多的問題，電池組工作時電池單體之間的內(nèi)阻不同導致了工作中的電池單體之間的溫差達到了10攝氏度以上。
于他們而言，能夠忍受的溫差或者說能夠確保電池安全工作的溫差最好控制在5攝氏度左右。而在動力電池組的“后安全”（交通事故發(fā)生之后、系統(tǒng)經(jīng)受外力侵害之后）方面，其他的企業(yè)并沒沒有在這個方面并沒有更多的考慮，他們卻想的更多一些。確保動力電池組在“后安全”時期能夠延緩甚至于控制大規(guī)?！盁崾Э亍保ㄆ鸹稹⒈ǎ┑陌l(fā)生，他們發(fā)現(xiàn)了18650規(guī)格電池的一個致命缺陷，當某個18650電池單體在受到外力侵害之后發(fā)生“熱失控”，電池內(nèi)部的溫度迅速升高至1000攝氏度以上。
而熱量會通過正極極柱旁的泄壓控定向噴射，如此集中且熾熱的高溫熱流可瞬間將其接觸到的任何物體擊穿、融化并迅速通過熱傳導影響其他電池單體引發(fā)連鎖反應，短時間就可將附近的金屬、塑料包括乘客摧毀。而在另一方面，他們在動力電池組沖擊試驗方面在數(shù)年之前就采用了目前行業(yè)最高的標準——40G（40倍的重力加速度）當他們根據(jù)行業(yè)最高的標準對18650規(guī)格的電池進行沖擊試驗時，18650規(guī)格的電池單體無法承受如此高的沖擊而產(chǎn)品內(nèi)部結構的損壞。經(jīng)過大量的嚴苛測試之后，他們放棄了使用18650規(guī)格的電池單體，將電池單體的選用聚焦到了軟包電池。
選定了方向之后，他們進一步對軟包電池進行了考驗。而測試過程當中，電池企業(yè)在軟包電池的封裝過程中的劃痕問題進一步成為他們關注的焦點，封裝的PP/PE膜的劃痕控制成為他們選取電池單體的核心指標之一。而“熱失控”方面，軟包電池在壓力釋放方面相比方殼和圓柱電池單體的優(yōu)勢顯露無疑。選擇了動力電池單體的方向之后，他們進一步在控制“熱失控”擴散范圍方面進行了進一步的探索，標準箱體這樣的設計出現(xiàn)在他們的動力電池系統(tǒng)設計之中。而標準箱體的設計初衷就是在“后安全”問題發(fā)生之后，動力電池的“熱失控”可以被控制在單個標準箱體之中而不會引發(fā)其他的標準箱體“熱失控”以確保司乘人員有時間實施救助或自救，并將損失盡可能的控制在有限的范圍之內(nèi)。而這個標準箱體的耐熱材料溫度被設定在了1000攝氏度以上，僅尋找和篩選合適的耐熱材料就花費了他們近半年的時間。
講到這里，這個主題為“安全”的訪談并沒有結束，整車安全設計的問題成了全程最精彩的部分。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的產(chǎn)品設計開發(fā)過程當中，整體的安全設計是全面圍繞司乘人員展開的，發(fā)動機、變速箱等核心的動力系統(tǒng)的在事故當中均可被拋棄，而一切的設計都是為了確保司乘人員的安全進行的。而在這個企業(yè)的整車設計開發(fā)過程當中，動力電池組的安全問題被提升到了與司乘人員同等重要的地位。在碰撞發(fā)生的時候整車的潰縮設計中不允許布置電池、電路切開控制器、執(zhí)行器等控制單元。進一步確保碰撞發(fā)生之后動力電池組的安全性。
說到這里，或許讀者已經(jīng)非常好奇這家企業(yè)到底是哪個？別著急，我們用這個企業(yè)的負責人的一句話作為結束語之后揭曉。“相比揣在口袋里的手機電池的安全問題或許是個人問題，而新能源汽車的動力電池的安全問題卻是社會問題”能將安全問題作為企業(yè)發(fā)展的核心理念，相信不論這個企業(yè)是傳統(tǒng)汽車企業(yè)還是“造車新勢力”，它都能走的更遠。
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