一年失火700起,動力電池何時才能「永不起火」?

2020-12-21 零碎事兒

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12月12日,北京城裡飄起了雪花,中關村力學所裡一片靜謐。2個月前,一輛電動車在這裡爆炸起火,現在已經看不到痕跡。

夏季起火,冬季趴窩,2020年,新能源市場高奏凱歌,但電池問題依然無解。2020年新能源大會期間,應急管理部消防救援局副局長曹奇表示,僅前三季度就有新能源車火災700起,涉及幾乎所有新能源車品牌。

10月動力電池應用國際峰會上,寧德時代董事長曾毓群喊出「永不起火」的口號,孚能、欣旺達也隨後跟進。電池安全問題,即將徹底解決?

■ 什麼是「永不起火」

「永不起火」是一個令人心動的暢想,但一場場大火,提醒我們必須關注依然嚴峻的現實。

準確點說,「永不起火」是指「電芯熱失控後可控」。2020年5月,工信部發布《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》、《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制國家標準。其中,「電池安全要求」明確指出,動力電池在發生熱失控後,5分鐘內不得發生起火和爆炸。

電池「永不起火」,是電池企業在國家強制標準基礎上做的延伸。孚能科技認為,永不起火是指「第一個電芯失控,此後24小時內未起火,且電芯逐步恢復至常溫安全狀態。欣旺達的表述更加簡單,即電池「只冒煙,不起火」。

廣汽新能源技術中心副部長劉太剛表示,電池「永不起火」並不是說電池在任何情況下都不會燒起來,而是對電池熱失控能起到抑制。明確定義後,這裡又涉及到另一個問題,當我們說「永不起火」時,是特指三元鋰電池,還是所有電池?

2020年,在比亞迪刀片電池帶動下,磷酸鐵鋰市場回暖。據中國汽車動力電池產業創新聯盟統計,2020年1-11月,磷酸鐵鋰累計裝機量28GWh,同比增長49.3%;三元鋰累計裝機量40GWh,同比增長35.6%。磷酸鐵鋰能夠在增速上反超三元,安全是重要因素。

穩定是磷酸鐵鋰正極材料的優勢,但如果說磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池更安全,則有偷換概念之嫌。電池安全性,除了材料本身穩定性,電池包殼體強度、模組設計、電池系統管理(BMS)、生產工藝,都會影響電池安全。

雖然當下電動車失火多與三元電池有關;但在三元鋰普及前,磷酸鐵鋰失火案例同樣不少。只是如今磷酸鐵鋰技術已經成熟,失火情況才得以杜絕。

回顧2020年電動車失火案例,不難發現失火原因多與小供應商、低端產品、私自改裝有關。三元鋰,特別是高鎳三元技術尚未成熟,部分企業產品沒有達標,從而引起公眾認為三元材料本身不安全。

劉太剛說,把安全性和某一種技術路線綁定起來,容易引起消費者誤解。從行業趨勢看,「永不失火」將成為2021年電池行業標配,各主機廠、電池廠都將在這一方面加大研發力度。無論磷酸鐵鋰還是三元811,都要全場景、全周期、全方位、全系統安全。

■ 攻克安全難關

如何實現「永不起火」?是電池企業與車企需要共同面對的問題。

中國科學院院士、動力電池專家,清華大學教授歐陽明高認為,解決動力電池安全問題,要從本徵安全、主動安全、被動安全三方面入手。

本徵安全即弄清電池熱失控機理,從原理層面控制電池失火。歐陽明高表示,目前磷酸鐵鋰,三元523、811,發熱機理都已基本清楚。在本徵層面控制電池安全可以實現。

除磷酸鐵鋰和三元高鎳兩條主流路線外,2021年6月,蜂巢「無鈷電池」也將量產落地。「無鈷電池」採用高電壓鎳錳酸鋰正極材料,與三元鋰、錳酸鋰相比,鎳錳酸鋰高壓導電性、比能量、成本、安全性均具有優勢。但鎳錳酸鋰製造工藝一直是難點,無鈷電池量產,將給電池安全帶來新的可能。

主動安全指通過BMS,對電池安全邊界加以主動控制。在電池安全性方面,車企需要承擔更多責任。除電池本身安全性,整車電池管理能力、車身結構強度,也是防止電動車失火的重要方面。

11月6日,蔚來發布100kWh電池,發布會上蔚來創始人李斌稱:「蔚來的加入,讓寧德時代實現永不起火的計劃提前了4年」。蔚來大幅提高電池安全性,關鍵是與寧德時代合作時,在BMS中集成了一個傳感器元件,並通過雲端大數據,對電池狀態實時監控,從而提升電池安全性。

被動安全是在電池發生問題後,擁有足夠的安全冗餘,實現「不冒煙,不起火」。寧德時代方面接受訪談時表示,為了做到「永不起火」,寧德時代主要依靠自主研發的自隔離安全技術(NP技術),使電池做到單體耐溫耐壓、模組內不擴散、系統內不蔓延。

除了技術問題,實現電池安全還要解決非技術問題。劉太剛表示,在追求「永不起火」時,小企業的產品穩定性和技術可靠性往往會差一點。如果車企選擇供應商不當,即使技術問題得到解決,產品安全也不能保證。

電池安全是一個系統性問題,既涉及到材料研究,也涉及到應用問題、結構優化,整車策略優化。實現電池安全,需要車企與電池企業共同努力。

■ 電池產業走向何方

2020年行至尾聲,雖然電池起火給行業蒙上一層陰影,但發展趨勢並沒有改變。平安證券預測,到2030年,全球動力電池出貨量將達到1577GWh。中商產業研究院預測,2021年,中國動力電池市場出貨量將達到157GWh。

市場前景看好,更需要解決電池安全隱患。欣旺達電池副總裁梁銳認為,過去幾年在市場需求刺激、補貼政策引導下,部分電池企業、車企急於讓高能量密度電池上車,對電池的研發驗證不夠充分。只有靜態測試,忽視動態測試,導致部分電動車出現起火事故。

安全是商用的基礎。在2020年國家強制標準出臺後,電池安全被擺到首要位置。在保證安全性的前提下,多種技術路線需要同步發展。

2020年,幾場關於電池安全的爭論,最終都淪為對某一技術路線的批判。歐陽明高表示,「磷酸鐵鋰可以有更高能量密度,三元也可以更安全,應當均衡發展。」解決安全問題,不等於選擇某一條技術路線,磷酸鐵鋰、三元鋰,包括無鈷電池、石墨烯電池,都有可能在市場佔據一席之地。

智能電池,是電池安全的另一個發力點。通過在電池包獨立模組上增加電子監控元件,利用5G、雲端技術增強電池監控。通過主被動安全多管齊下,讓電池「永不起火」並非痴人說夢。歐陽明高說,「極端情況雖然不可避免,但讓熱失控時不燒起來,從技術角度是可以做到。從工程角度、從大規模應用角度,目前(起火)還是會偶爾發生一些,但是會越來越少。」

當電池足夠安全,追求更高續航,是每一位電池從業者的「永恆追求」。在蜂巢能源表示無鈷電池將突破800km限制後,近期智己汽車又宣布將攜手寧德時代,在5年內推出最高1000km續航、20萬公裡零衰減的電池。

梁銳認為,電池問題最終解決還是要看固態電池。目前,在實驗室裡固態電池已完成技術驗證,但想要大規模商用,還需跨越「體系不穩定、循環壽命短、易膨脹變形、成本高」等多道難關。「預計大規模商用要到2030年」,梁銳說。

從更長遠看,電池企業想解決安全問題,需要通過材料研發和設備工藝積累,構建全產業鏈整合能力,這也是未來電池企業核心競爭力。

■ 結語

梁銳感嘆,電池行業「忽悠」不少,但永不起火是行業共同追求。電動車起火,除了技術問題,也有車企和電池企業「人為因素」,一味追求高續航、誤導性宣傳,會加劇用戶對產品不信任,最終對行業不利。消費者既需要產品安全,也需要心理安全。打消公眾對電動車的疑慮。需要全行業共同努力。

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