跳转至

Vol.065 如何防止你的电动车自燃?

生活离不开锂电池,但锂电池也可能毁了你的生活。

一台电池容量 3500mAh 的手机或许只能炸伤你的手,但试想把 7000 多台手机装进一辆电动车里。

img

驾驶时还要面对频繁的震动颠簸和风霜雨雪,在如此严苛的条件下,怎样才能防止你的电动车像手机那样自杀式爆炸?

img

锂电池,准确的说是锂离子电池,由正极、负极、电解质和隔膜组成。

img

放电时,锂会从负极脱嵌变为离子,并放出电子,接着锂离子将进入电解质,通过一层有微孔的隔膜再嵌入正极,而充电时则相反。

img

实际应用时,电池的正极、隔膜、负极往往紧贴在一起,隔膜只允许锂离子通过,避免了正负极直接接触。

img

然而当遇到高温、穿刺使隔膜熔化、破裂,就会直接连通正负极造成大面积短路,不断积累热量。

img

根据 Hossein Maleki 等人的实验,当电池达到 167℃ 时,反应会突然加剧、电解液迅速分解燃烧,温度攀升,这被称为热失控。

img

锂离子电池的负极普遍是石墨,所以正极使用何种材料就决定了电池的能量密度,也影响了热失控的程度。

img

在这五种正极材料中,钴酸锂虽然能量密度最高,但热失控也最迅猛;锰酸锂和磷酸铁锂虽然很安全,但能量密度实在太低。

img

在今天这两种主流的三元材料中,NCM 镍钴锰酸锂相比 NCA 镍钴铝酸锂,发生热失控的阈值更高,且升温速率更缓和,相对也更安全。

img

当然,热失控会由多种意外情况引发。

比如电池管理系统故障引起电池过充或过放,剧烈撞击导致电池模块变形,涉水行驶时积水倒灌引发短路等,所以汽车电池必须经过更严格复杂的安全测试。

img

根据 2015 年的这两项国家标准,单体蓄电池及蓄电池模块的安全测试共有 10 项,蓄电池包或系统则有 16 项。

img

其中,温度冲击和针刺这两项的通过难度最大。

温度冲击试验要把充满电的电池放入温度箱中,从 25℃ 降到 -40℃ ,接着升高至 85℃ ,再恢复到 25℃ ,循环5次,每次8小时。最终观察 1 小时后仍能正常工作才算通过。

img

通过这项测试的关键在于隔膜。

传统的隔膜材料通常是单一的 PE 聚乙烯或 PP 聚丙烯。

img

以 PE 为例,当电池内部温度达到 125℃ 时,隔膜就会开始熔化,到 130℃ 时,隔膜的微孔结构将熔化关闭,阻止锂离子通过进而阻断电流。但这时温度只要再升高一点,隔膜就会彻底破裂,引发热失控。

img

而更先进的隔膜会采用 PP-PE-PP 三层复合材料。PE 的熔点比 PP 低,会先开始熔化、阻断电流,即便 PE 达到破裂温度,外层的 PP 依然能保持隔膜的完整性,继续阻断电流。

img

相比温度冲击,针刺试验要更暴力,用直径 5~8mm ,针尖圆锥角度 45~60 度的耐高温钢针以 80mm/s 的速度贯穿电池的几何中心并停留在电池中,观察 1 小时后没有起火爆炸才算通过。

img

由于针刺直接破坏了隔膜结构,造成短路,极容易引发电解质燃烧。

img

锂离子电池的电解质中通常含有碳酸酯。

碳酸酯在高温下会分解产生氢气和氢自由基,氢自由基将和氧气反应生成羟自由基和氧自由基,而氧自由基又会和氢气反应产生更多的氢自由基,如此循环,不断燃烧。

img

要想打破这个恶性循环,可以往电解质里添加磷酸酯类阻燃剂,磷酸酯受热时分解产生的磷自由基可以优先捕获氢自由基,抑制燃烧反应,从而阻燃。

img

针刺试验对电池的可靠性、稳定性要求极高,且在一些国家也并非强制法规,只有少数真正实力过硬的电池生产商才愿意坚持针刺试验。

img

远景 AESC 就是其中之一,他们为世界上销量最大的纯电动车日产聆风提供的电池,9 年来 43 万台总计 40 亿公里 0 重大事故,是目前电池供应商中绝无仅有的完美安全纪录。

img

即便在粗暴的穿刺、高温炙烤下,电池依然保持了安全稳定。

这样的安全性能不仅依赖远景 AESC 超过 2000 个专利,覆盖电池全产业链的核心技术,更取决于强大的生产质量管理和电池大数据能力。

img

在电池生产过程中,每个电池包具备 45 万个数据采集点,实时监控目标数据,严格把控生产环节的 770 多个质量管控项目,实现了全生产链条的数据可追溯、可跟踪。

img

高能量密度的电池能让车增加续航,但只有安全的电池才能让人放心驾驶。这是远景 AESC 决不妥协的工匠追求。

img

在这样的安全保障下,远景 AESC 还致力于实现电动车的双向充放电,为你的家、办公楼乃至城市电网供电,让你的电动车变成智能的大型充电宝。

img

该文件编辑日志

  • Mar 29, 2020. By parozhao
    创建文件 & Markdown 格式化