電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池的使用風(fēng)險(xiǎn)及保障措施

葛欣

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

1 引言

人類進(jìn)入工業(yè)文明時(shí)代以來，加速了對(duì)自然資源的攫取，一度以破壞環(huán)境為代價(jià)創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富。地球資源在長(zhǎng)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(guó)中國(guó)基于推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，承諾將力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。交通運(yùn)輸行業(yè)是推動(dòng)綠色發(fā)展，實(shí)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(guó)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(shí)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(dòng)汽車行業(yè)已經(jīng)成為國(guó)家重點(diǎn)進(jìn)行扶持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

動(dòng)力電池是新能源汽車的核心部件，多以鋰電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)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(diǎn)。單體電壓高意味著達(dá)到電動(dòng)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(duì)降低電動(dòng)汽車的整車重量、提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力有非常重要的意義。

圖1 近七年中國(guó)新能源汽車銷量數(shù)據(jù)[1]

雖然鋰電池在儲(chǔ)能和放電方面有很大優(yōu)勢(shì)，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(xiǎn)。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(xiǎn)讓消費(fèi)者對(duì)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(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)分析

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

2.1 體驗(yàn)感風(fēng)險(xiǎn)

體驗(yàn)感風(fēng)險(xiǎn)是指電動(dòng)汽車在使用過程中本身不會(huì)危害人的生命安全、但會(huì)頻繁發(fā)生而造成消費(fèi)者焦慮心理的風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車使用者常常會(huì)有“里程焦慮”和“充電焦慮”，這是由于電動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)力電池?zé)o疑會(huì)給消費(fèi)者帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.1.1 續(xù)航問題

雖然動(dòng)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(dòng)汽車的續(xù)航里程逐漸低于設(shè)計(jì)值，使用者需要頻繁充電來維持日常使用。目前電動(dòng)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(diǎn)，詳細(xì)如下表所示。

表1 電動(dòng)汽車常見充電方式優(yōu)缺點(diǎn)

與普通燃油車相比，電動(dòng)汽車充電難主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)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(diǎn)，車主難以便捷地步行往返充電處和住處。另一方面是電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)，不像燃油車加油即加即走。如果出行前沒有及時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的等待。

針對(duì)電動(dòng)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(dòng)車都搭載了快充技術(shù)。普通慢充是按照8小時(shí)充滿設(shè)計(jì)的，而電動(dòng)汽車的快充技術(shù)可以在幾十分鐘內(nèi)將電池充電到80%。快充技術(shù)給城市電動(dòng)公共交通的運(yùn)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(fèi)者認(rèn)為快充技術(shù)會(huì)對(duì)電池造成損傷，其實(shí)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(huì)減小充電電流直至充滿，只要使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電樁，電池的使用壽命不會(huì)受到明顯影響。

而針對(duì)公共充電樁網(wǎng)點(diǎn)少的問題，目前電動(dòng)汽車的推廣重點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)，在全國(guó)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(dòng)機(jī)是燃油車的心臟，動(dòng)力電池也是電動(dòng)汽車的心臟，電動(dòng)汽車的性能很大程度上受到動(dòng)力電池性能的影響。動(dòng)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(guó)是一個(gè)幅員遼闊的國(guó)度，很大一部分國(guó)土處于中緯度地區(qū)，氣旋活動(dòng)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(gè)月，因此目前電動(dòng)汽車在北方地區(qū)難以推廣。

以普通鋰電池為例，充電時(shí)，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(shí)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(shí)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(jī)溶劑，而低溫環(huán)境下，電解質(zhì)溶液的粘度會(huì)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(dòng)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(duì)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(diǎn)，從而改善鋰電池的低溫性能，同時(shí)也可以研發(fā)低溫下擴(kuò)散能力不會(huì)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(dòng)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(diǎn)是增加額外裝置會(huì)增加電動(dòng)汽車的整車重量，增加成本，并且也增大了動(dòng)力電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于檢修維護(hù)。應(yīng)對(duì)低溫充能問題，學(xué)者們還提出了利用充電時(shí)電池自身產(chǎn)熱的原理進(jìn)行低溫充電的方法[2]。實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)

安全感風(fēng)險(xiǎn)是指電動(dòng)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(xiǎn)，電動(dòng)汽車起火、爆燃的事故報(bào)道無疑會(huì)降低消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的信任感，據(jù)統(tǒng)計(jì)電動(dòng)汽車的事故大多與動(dòng)力電池有關(guān)。首先電池本身的質(zhì)量直接決定了電動(dòng)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(yàn)過程中必須嚴(yán)格把關(guān)，合格的產(chǎn)品才能流入市場(chǎng)。另外鋰電池對(duì)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(gè)溫度范圍就會(huì)影響其使用壽命和工作性能，低溫時(shí)會(huì)發(fā)生上述充能問題，而高溫時(shí)則會(huì)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(dòng)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(cè)等多重環(huán)節(jié)，泄露檢測(cè)環(huán)節(jié)尤為重要，它關(guān)系著電池出廠后能否長(zhǎng)期穩(wěn)定地安全運(yùn)行。封裝完畢的鋰電池可以釋放出O2、CO2、H2等氣體，然而我國(guó)目前尚未形成統(tǒng)一的針對(duì)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(dòng)完善各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，為電動(dòng)汽車的安全運(yùn)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(qiáng)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(huì)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(dòng)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(huì)降低材料的熱失控溫度，特別在電池容量衰減以后常常會(huì)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(dòng)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?yàn)殡姵乇旧泶嬖谫|(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(duì)“內(nèi)短路-熱失控”風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)有效的在線診斷[6]，發(fā)現(xiàn)故障并切斷風(fēng)險(xiǎn)根源，診斷依據(jù)大多選取內(nèi)短路時(shí)不同的電壓表現(xiàn)。

三是動(dòng)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(dòng)汽車的鋰電池包模塊中除了電池，還包括可以實(shí)現(xiàn)自由組合的冷卻散熱單體。動(dòng)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(shì)所趨，而電動(dòng)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(cè)和消費(fèi)者使用過程監(jiān)測(cè)兩方面共同保障動(dòng)力電池安全運(yùn)行。

表2 國(guó)內(nèi)部分鋰離子動(dòng)力電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[7]

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)主要涉及電動(dòng)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性，而對(duì)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(zhǎng)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(shí)加強(qiáng)從業(yè)者培訓(xùn)，保證動(dòng)力鋰電池的出廠質(zhì)量。

消費(fèi)者在使用過程中要本著對(duì)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(cè)裝置，熟悉報(bào)警信號(hào)，學(xué)習(xí)必要的避險(xiǎn)操作，提升駕駛電動(dòng)汽車的安全系數(shù)。