锂电池热的-冷-思考:现今的电动汽车能快充吗?

2022-04-03 08:38 佚名

8月20日,辽阳一电动车起火,8月23日,聊城一电动车起火,8月25日,成都一魏玛车起火,8月26日,安徽铜陵安凯一电动车起火...2018年5月至8月,公开报道的电动车事故多达16起,其中9起被判定为“充电自燃”,其他事故包括电池故障、电气元件短路、停车自燃等。新能源汽车进入快速发展期,随之而来的是技术突破和安全挑战。

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新能源汽车车主是指使用非常规汽车燃料作为动力来源的汽车。目前市场上最常见的车辆是纯电动汽车和混合动力汽车。就像普通汽车需要内燃机一样,电动汽车也需要动力电池来提供前进的能量。目前,最重要的动力电池类型是锂离子电池。

“遵循科学规律,不盲目”,“先发展安全可靠的技术”。在10月17日至18日于北京举行的“中国宜春·2018全球锂电池产业链高峰论坛”上,来自学术界和产业界的人士呼吁锂电池发展的安全性。

锂离子电池是从锂电池发展而来的。锂电池在人们的生活中有着悠久的历史。比如纽扣电池就属于锂电池。锂电池的正极材料为二氧化锰或亚硫酰氯,负极为金属锂。电池组装后,电池会有电压,不会充电。一般锂电池是禁止充电的,因为在充放电过程中容易形成锂枝晶,导致电池内部短路。

1992年,日本索尼公司发明了以碳材料为负极,含锂化合物为正极的电池。在充放电过程中,只有锂离子,没有金属锂,就是现在的锂离子电池。此后,日本索尼能源开发公司和加拿大莫利能源公司成功开发了新型锂离子电池(以下简称“锂电池”)。目前,锂电池已经广泛应用于各种手持电子产品和电动汽车中。

对于锂电池来说,性能表现在两个指标上:一是充放电率,代表电池的充电速度;一个是能量密度,它决定了一辆车可以行驶多少公里。然而,盲目追求这两个指标在很大程度上牺牲了安全系数。

快充技术目前没有出路。

“这些火灾事件中,至少有60%发生在充电时或刚刚充电后,说明充电存在很大问题。”国家863电动汽车重大专用动力电池检测中心主任王晓东说。

锂电池充电过程中,锂离子在两个电极之间来回插脱,正负极不发生氧化反应。但王子东指出,目前的充电方式和充电过程都是氧化还原反应,不是锂电池根据自身规律应该有的充电方式。王子东团队的实验结果表明,采用目前的充电方式,电池寿命可以降低30%左右。所以在这样的情况下,王子东认为不应该考虑大电流充电。

锂电池的充放电率是指单位额定容量的充放电电流。例如额定容量为100Ah的电池用20A充放电时,其充放电倍率为0.2C C,一般锂电池的充电电流设定在0.2C-1C之间。电流越高,充电越快,但同时电池发热现象越严重。目前纯电动汽车的充电容量为慢充,基本在0.3C-0.5c之间,另一方面,电流过大充电会导致容量不足,因为电池内部的电化学反应需要时间。和啤酒灌装机一样,倒得太快会产生泡沫,但不会令人满意。

北京大学新能源材料与技术实验室主任陆弃表示,如今的多阳极金属复合氧化物电池需要充电8分钟。理论上只能以10°c的速率充电,“这种能量是无法想象的”。

这些技术瓶颈其实并不是新问题。陆璐是中国锂电池研究领域的先驱之一。他曾在2008年奥运会上担任清洁能源电动汽车动力电池项目的首席科学家。早在北京奥运会的时候,他们就对各种问题进行了各种实验。届时,三元电池可在5分钟内充电完毕。实验中,三元锂电池在快速充电过程中,热量无法快速释放,大大增加了爆炸的可能性。考虑到安全问题,陆弃表示,这项技术不能用于纯电动汽车,而只能用于电池混合动力汽车。

此外,动力电池的快速充电也面临着一个非常现实的问题——城市电力基础设施无法满足这一需求。假设一条总线使用150千瓦小时的电池,充电需要5分钟,一条总线需要100千瓦的电源容量。如果几百辆公交车和几千辆公交车同时一起充电,会对电网造成很大的影响。

“如今的城市电网根本做不到这一点。”陆弃说。

目前,王子东团队正在研究如何在充电过程中根据电池的特性调整充电方式。改变不同的充电方式后,普通的标准充电方式可以给电池充电500次,新方法下可以充电1000次,有效减缓电池衰减。因此,王子东表示,即使有很多瓶颈,锂电池也必须有自己的充电方式。

卢认为,现阶段在车位上接线充电最合适,两三个小时,五六个小时,甚至一晚,完全可以通过充电技术实现。一是制定安全可靠的充电方式,促进电动汽车平稳、安全、健康发展。

能量密度和安全性是一对矛盾。

2018年2月,财政部、工信部等四部委联合发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,取消对续航里程150公里以下纯电动汽车的补贴,将续航里程300公里以上纯电动汽车的补贴提高到3.4万元,将续航里程400公里以上汽车的补贴提高到5万元。

据加州大学戴维斯分校中国交通能源中心主任王云石介绍,这意味着纯电动汽车达到类似汽油车的续航里程后,续航里程越长越好。新政策可能希望通过要求动力电池系统的能量密度来促进动力电池的发展。

锂电池的能量密度(Wh/kg)是指电池单位重量可以储存的能量大小,主要由电池的材料特性决定。按照普通铅酸电池40Wh/kg左右的能量密度,如果用铅酸电池驱动家用车行驶200公里以上,需要将近一吨电池。因此,如果将电池重量控制在一定范围内,电池的能量密度越大,汽车的续航里程就越长。

能量密度越高越好,但电池是能量高度集中的小型设备。当更多的能量聚集在更小的体积时,如果使用不当,比如温度升高或突然剧烈碰撞,后果甚至可以和炸弹相比。

新能源研究院真锂研究院发布的最新数据显示,2018年6月以后,120Wh/kg电池组装机量达到95%左右,而一年前6月仅为7.3%。也就是说,国内电池系统能量密度的进步远超国外,速度“惊人”。

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2017-2018.8中国电动汽车乘用车产量中不同能量密度电池组的装机比例来源:真锂研究

虽然高能量密度电池组的装机量有了很大的提高,但如何平衡能量密度和安全性的问题还没有解决。

“如今,毫无疑问,能量密度与电池安全成反比,我们还没有解决这个问题。”陆弃说。

目前国内生产的锂电池理论能量密度为300 ~ 400 wh。如果没有突破这个上限的方法,可以通过减少磨损隔膜来扩大材料空间隙,从而增加能量密度。隔膜的作用是将电池的正负极分开,防止两极接触短路,让电解质离子通过。

“这是最简单也是最危险的方式。”王子东说。

王子东介绍,他的研究团队此前已经了解到三星Note7的火灾事件。经检查发现,三星Note7的电池中使用的隔膜厚度约为45微米至46微米。在使用均质材料的情况下,一些动力电池制造商甚至考虑使用10微米和8微米厚的隔板。在他看来,这个想法“非常大胆”。

由于电池制造过程中颗粒不可避免的掉落,实际隔膜会带来一些轻微的“工伤”。在材料没有突破的前提下,超薄隔膜、可燃电解液、暗流枝晶,如果你在这个环节铤而走险,会埋下爆炸隐患。

“在掌握锂电池的点火规律之前,控制好能量密度、安全性和寿命之间的平衡是我们不能忽视的问题。”王子东说。

事实上,能量密度和安全性这个“鱼和熊掌”的问题,不仅困扰着我国锂电池技术的发展,也困扰着行业内的领先国家,如韩国和日本。德意志证券韩国公司分析师Seunghoon Han表示,目前没有一家公司敢说自己的技术路线是完全确定的,但每家公司都认为自己的电池是最安全的。鉴于其他很多行业已经通过标准化解决了很多安全问题,这些锂电池行业发展面临的安全问题可能也需要标准化来解决。但发展瓶颈期的这些问题并不影响快充技术,提高能量密度仍是未来技术发展方向。

“只有安全指标标准化后,技术发展才更容易确定哪些更安全,哪些不安全。”韩说道。

另一方面,高能量密度意味着需要高密度材料,高密度材料将决定储存电能的大小。当一种材料的厚度可以达到安全极限,但仍然低于人们的预期时,许多人就会把目光转向寻找新材料。王子东认为,如果没有物质突破来突破高能量密度的问题,就会在瓶颈期停滞很长一段时间,可能是10年、50年。

但是,对于石墨烯、纳米材料等。,这在最近非常流行,陆璐并不乐观。他说,包括之前使用的硫酸亚铁锂,这些材料实际上是低密度材料,而三元材料和多元材料的等密度要高得多,未来甚至可以实现更高的密度。

“从材料的角度来看,石墨烯具有很好的导电性,但当它从材料衍生到电池,再衍生到电动汽车时,这个概念能一样吗?”卢说,“纳米材料在这个领域不会有任何具体的应用。”

无论是快充还是高能量密度,陆弃认为,我们都必须戒骄戒躁,提高警惕,尤其是像固态锂电池这样能够确保能量密度、使用和安全的技术。在导电性好的电解质材料出现之前,我们对这类电池的产业化不要期望太高。

“我们仍需全力以赴开发我们可行的技术。我认为最重要的是我们的‘明天的技术’。”陆弃说。