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一切的源頭：要感謝的是一隻青蛙？
什麼是純電動車發展道路上的絆腳石？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。而在眾多影響電動車安全的問題當中，電池安全最棘手、影響也最大，於是這一次我們打算用四期選題，追根溯源，從動力電池的發展、現狀、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，看看電池是如何誕生的，作為驅動車輛的能源，它又經歷了什麼，從什麼時候開始，它變成了「危險份子」？
如果這世界上真的有時光機，那讓我們回到1786的一天，在義大利一個潮溼、充滿腥氣的解剖室當中，來自義大利的解剖學家Luigi Galvani（伽爾瓦尼）和他的助手正準備解剖一隻死青蛙。當他雙手舉著手術刀，碰觸到青蛙的腿部時，青蛙的腿部肌肉抽搐了一下。
這個名叫伏特的小夥子不僅是個貴族，同時還是一個物理學家，他受到班傑明·富蘭克林的啟發，多次實驗論證，產生電流的並不是青蛙的肌肉，而是一些液體和兩塊異質金屬。儘管伽爾瓦尼的結論並不準確，但從他開始，人們就開啟了一系列對可儲存電能的研究。
可能是伏特太過於沉迷於掌聲，他並沒有深入對這些電化學反應進行研究，電流產生的基本原理，他並不知道。正如在發明了罐頭之後很多年人們才發明了開瓶器一樣，很長一段時間內，人們並不知道電堆產生電的原理。
實際上「伏特電堆」的銀片和鋅片就是後來我們說的電池的正負極，而鹽水浸溼的紙片就是後來的電解質。當時的科學家對化學電池進行了多方面的嘗試，人們發現在電池產生電的同時，還會出現很多氣泡（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、因為電解質使用的是硫酸，所以還有搬運不方便的問題存在，於是1888年，化學家卡斯尼爾將澱粉加入電解質中，製成漿糊狀，從此這類電池就被成為「乾電池」。在這裡需要說明一下，現在動力電池當中的電解質也是漿糊狀的，但為了和固態電池當中固態的電解質區分，我們也通常將前者叫做電解液。
隨後鎳鎘、鎳鐵電池被發明出來，但由於當時這些材料比其它蓄電池的料貴得多，因此實際應用受到了阻礙，但這也讓鎳這種正極材料體系的電池開始進入了人們的視野。之後科學家對電池的研究，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，科學家們發現將複合材料混合鋰離子製成的電池能放出的電量最多，而且鋰的重量非常輕，用它製作的電池體積非常小，為電池的廣泛推廣、應用打下基礎，但事物總有雙面性，鋰過於活躍，容易發生內短路，存在的安全隱患比較多。
由於鋰活性較高，遇到水或者空氣都會發生反應導致燃燒和爆炸，那麼如何穩定它呢？科學家發現鋰離子具有嵌入石墨的特性，因此嘗試利用這個特性製作充電電池，首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試製成功。
由於該思路和當時鋰離子電池研究的方向不大一致，當時沒有任何一家企業敢接古迪納夫的發明，甚至他的母校牛津大學都不願意為其申請專利。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。至此鋰離子電池發展的「權杖」從歐洲轉移到了亞洲。
實際上從1992年索尼將鋰離子電池商業化之後，鋰離子電池開始大量在消費電子產品中出現，廣泛的應用不僅拉低了它的成本，同時也推動了鋰離子電池的發展，能量密度更高、續航裡程更長，充電倍率更高、各種材料體系的鋰離子電池出現：鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰電池層出不窮。
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不安全因素伴隨著電動車發展
磷酸鐵鋰材料相比鈷酸鋰材料擁有更結實的晶體結構，這意味著更加耐久和安全，並且它的主要構成元素是我們生活中隨處可見的鐵和磷，所以生產成本要比鈷酸鋰低得多。後來人們對電池的能量密度又不太滿意了，於是更高電壓、能量密度更高的三元鋰電池出現在人們的視野當中。
從電化學電池的發展歷程來看，它起源自歐洲，在亞洲被發揚光大，通過多年的發展，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」特徵被應用在生活的各個方面。那麼鋰電池在這麼多電池種類當中，憑什麼脫穎而出成為車輛動力電池的優選？本身帶有不穩定性的它，為什麼還能讓車企業趨之若鶩呢？
早期的電動車風靡了很短暫的一陣，由於當時用作動力的鉛酸電池體積大、質量大、能量密度小，電池重達1200磅，進行維護的時候需要將其整個取下，且在電池的底部會形成沉澱物，不定時清理容易造成短路，硫酸等電解液會流出，造成中毒或發生爆炸。汽油車的先驅Charles Duryea查爾斯·杜裡埃曾開玩笑地說：「一組電池比一座全是病人的醫院還難伺候」。當時的電動車沒能發展起來還有一個重要的原因，當時電動車依然是貴族的工具，因為歐洲很多地方家裡還沒有通電。
EV1使用的是鉛酸電池組，續航僅為96公裡，鉛酸電池續航能力差也成為電動車不能逾越的一道坎，儘管隨後通用使用了鎳合金電池組代替鉛酸電池，但續航裡程僅達到260公裡，和汽油車沒法比，且電池裡的材料造價不菲、汙染嚴重。
福特也曾嘗試使用鈉硫電池當作動力電池，它的續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，最終沒能應用到量產車上。雖然純電動車型的發展受到了阻礙，但油電混合動力車型在這個階段有了一定的發展，鎳氫電池也是在這時被廣泛使用，它穩定性高、耐過充過放，即便能量密度低，續航裡程少，但由於車型不單單是靠電力驅動，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展，可以預見的未來是我們還將在這些方面不斷探索和前進，作為車用動力電池來說，如何達到最完美的平衡，需要的可能是我們全人類的努力。（文/圖 汽車之家 姜田雙）
下期預告：
經過多年市場選擇，鋰電池因為體積小，能量大，多次重複可充且無汙染成為了車企的寵兒，唯一的缺點就是不那麼穩定，於是人們試圖通過電池的材料選擇、生產工藝和給電池安裝管理系統來保證安全性。下期文章我們將從鋰離子電池不安全的罪魁禍首說起，看看鋰電池的安全問題是否避無可避？引起現在電動車起火、爆炸的外因、內因又有哪些？
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鋰電池不安全的源頭
電動車安全問題一直是熱門話題，近期關於「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於片面。為什麼這麼說？因為引發動力電池不安全的原因很多，這一期我們就從鋰電池內部探討一下，導致鋰離子電池不安全的罪魁禍首到底是什麼？現階段引起電動車起火、爆炸的內、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，我們還得複習一下上一期的內容，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。鋰電池的基本結構是由正極、負極、隔膜和電解液組成，根據我們之前講的，鋰電池可以實現放電、充電，實際上是鋰離子在正、負極之間來回運動，發生氧化/還原反應，這也是鋰電池被稱為「搖擺電池」的原因之一。
鋰電池發生氧化還原反應時會釋放一定的熱量和氣體，當內部的熱量高於散熱速率，就會導致 「熱失控」現象。「熱失控」現象一旦出現，就意味著潘多拉的魔盒被打開了，電池內部的化學反應會形成連鎖反應，一旦「熱失控」現象無法被及時控制，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、爆炸的罪魁禍首是「熱失控」，那什麼情況下會引起「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，總體可以歸結為電池內、外短路、電氣濫用和機械濫用三大種。電池內、外短路是指由於電池材料、生產原因而引起的內部短路，進而釋放了大量熱量導致的「熱失控」，在這裡我們將單體電芯的內短路和電池包內的短路都歸到這一類。
三元鋰電池當中鎳的比重越多，也代表著不穩定因素越多，熱失控的危險係數越高。一般的三元鋰電池熱失控溫度低於300℃，一些高鎳比例的三元鋰電池熱失控溫度甚至低於200℃，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，它的穩定性要比三元鋰電池要好，磷酸鐵鋰電池熱失控溫度普遍在500℃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、能量密度上都有優勢，能夠帶來更長的續航裡程，只要控制得當，它的優勢能夠掩蓋它的劣勢，這也是當前不少車企選擇三元鋰電池的原因之一。而磷酸鐵鋰在循環性能、安全性和成本上有一定的優勢，也有不少車企開始重新選擇使用磷酸鐵鋰電池，尤其是在一些對續航裡程沒有那麼剛性需求的車型上，比如微型車、小型代步車等。
從市場環境來看，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量依然擁有較大的市場佔有率。從安全的角度來說，降低電池內、外短路風險的辦法之一就是選擇相對穩定的材料，或者加重電池材料當中的穩定物質，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構設計、電解液配方、隔膜特性、生產工藝模組和電池包的安全設計等一系列的解決方案。
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引起不安全的誘因及解決方案
○解決方案一：優化電芯結構、提高產品素質
這也是為什麼車企都在追逐頭部電池企業，都選擇使用它們的電芯，因為這類電池製造商的良品率、穩定性和一致性相對較高。此外，針對鋰電池內部電解液的易燃性，一些電池廠商還會增加一些不易燃燒的電解質塗層，比如陶瓷塗層，目的就是為了延長電池熱失控的時間。
○解決方案二：選擇合適的封包形式、模組
除了材料選擇關係到電池的安全性，它的封裝形式對安全性起到至關重要的作用。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節單體電芯，一個電池都不好控制，大量電池無疑會增加安全防控技術的負擔。目前主流的車企也逐漸「拋棄」了圓柱型動力電池。根據高工產業研究院（GGII）數據顯示2017年我國新能源汽車圓柱動力電池裝機總電量約12.57GWh，2018年裝機總電量減少到7.11GWh，到2019年圓柱電池裝機量不足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，電池包內部的線束、殼體都容易造成電池包的短路。
除了電池內、外的短路，引起電池「熱失控」的另一個誘因就是電氣濫用，這裡指的是過充、過放電、低溫下大電流充電等，這些都會增加電池「熱失控」的風險。
過度充電會導致過多鋰離子嵌入負極無法脫嵌，若過度放電，會導致負極層級結構崩塌，使鋰離子無法再嵌入其中，久而久之產生的結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、配備大管家
電池管理系統包括電池傳感器和電池溫控系統，電池傳感器負責監控每個電芯的電壓和溫度，確保電池包內的平衡，不會出現某個單體電池過充、另一個又充不滿。且一旦發現不正常現象，系統能夠及時上報到車輛電腦內，並發出警報，以便駕乘人員有足夠的時間做出判斷。
○解決方案二：強制鎖電
一些車企會提供車輛充電上限可調節，用戶可設定每次充電的上限，並通過用戶手冊對車主進行教育，充到80%以上即可。快速充電時，電量達到80%以上，電流會下降也可以看作是保護電池過充的方法之一，選擇上述哪種方法來保護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注，電池保護也逐漸成為了更多汽車廠商研究的課題。
機械濫用是由於外力的作用，鋰電池單體、電池組發生變形，導致電池隔膜被撕裂並發生內部短路，易燃電解質洩漏最終引發起火。這個誘因很好理解，不用說那麼多理論來解釋了，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，是保護電池不受外力衝擊的第一層關卡，不過一旦發生了熱失控或者電池包內一個電芯出現了過熱現象，那就需要第二道關卡來保護安全了，那就是隔。
總體來說，無論是增加電池包內的隔離材料還是增加隔離空間都會造成電池包增重、降低電池包內容量，都會影響到整車的續航裡程，也正因如此，一些車企也會為了追求更高的續航裡程而走更加激進的路線，放棄這部分設計。
全文總結：
我們知道了鋰電池危險的源頭來自「熱失控」，而導致「熱失控」的誘因不僅來自電池原材料，還和電芯生產工藝、模組設計甚至與電池包內電池管理系統、車身結構息息相關，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麼片面的角度去討論，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，就要有更為系統性的規劃和更為出色的電池管理系統，來平衡它的不穩定性。（文/圖 汽車之家 姜田雙）
下期預告：
這兩期我們從歷史和原理上解決了一個問題，「鋰電池為什麼不安全」，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？國家有沒有什麼相關的法規、標準來規範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麼？