近日，特斯拉、蔚來、比亞迪等品牌電動汽車接連發生起火事故。鋰電池的能量密度和安全性該如何兼顧？全固態鋰電池還有多遠？
太長先看版
1. 鋰電池電解液是易燃溶劑，其中的鋰還有正極材料中的鎳、鈷是活潑金屬，暴露在空氣中易燃燒。
2. 圓柱形鋰電池正極和負極間只隔一層微米級別厚度的隔離薄膜，遭受衝撞時容易破裂引發短路。
3. 鋰電池的能量密度和安全性存在天然矛盾，因為能量密度提升意味著採用更高活性的正負極材料，或降低隔離膜的厚度，這兩項做法都將大幅增加電池的危險性。
4. 全固態鋰電池是未來的發展方向，但還需要較長時間的科研攻關。
近日，特斯拉、蔚來、比亞迪等品牌電動汽車在中國各地接連發生起火事件。
▲上海特斯拉自燃，火光瞬間照亮整個車庫（觀看視頻：http://t.cn/Eo7EFiz）
▲陝西西安：蔚來ES8維修時起火 事故原因正在調查（觀看視頻：http://t.cn/Eo7n2OG）
▲武漢發生一起比亞迪e5起火事件，官方稱電池無損壞（觀看視頻：http://t.cn/Eo7ntIT）
儘管特斯拉和蔚來汽車方面紛紛發佈公告稱"車輛起火原因尚未確認，會在後續及時對外公佈調查結果"，但這很顯然無法完全平息雙方在品牌層面遭受的負面影響，由此引發的焦慮開始在業內和消費者中蔓延。
此次上海發生自燃的特斯拉型號為Model S P85，目前已經停產。這已經不是特斯拉汽車第一次發生自燃了，據不完全統計，截至目前，在全球範圍內，特斯拉的電動汽車在行駛、碰撞和充電導致的燃燒、自燃及爆炸事故，已經發生超過50起,甚至被稱為"燒車的冠軍"。
頻頻發生的電動汽車起火事故，將電動汽車和動力電池的安全問題再一次推向了輿論的風口浪尖，為快速發展中的新能源汽車市場蒙上了一層陰影。為何電力汽車的電池屢屢"過火"？我們又該如何應對電動汽車電池的安全問題？
電池碰撞、靜放電池短路等是主因
電動汽車起火事故中，大部分是因電池而起，包括交通事故碰撞、短路自燃等等原因。電動汽車的興起源於鋰電池技術的快速發展，在廣泛應用於電動汽車之前，手機和筆記本電池燃燒爆炸的事故早已屢見不鮮，電池的潛在安全隱患似乎已經成為電力汽車前進發展的絆腳石。
電動汽車除了動力系統不同外，底盤、車身、內外飾等都與傳統內燃機車型並無區別。電池是電動汽車的主要儲能部件，直接影響到電動車的性能。在電動汽車上，一個個單個的電池芯組成電池，一定數量電池被組合到一起形成電池模組模塊。
由於車輛上裝載電池的空間有限，運行所需的電池模組數目也較大，電池會以不同倍率放電，並以不同速率產生大量熱量，再加上時間累積及空間影響，從而導致電池組運行環境溫度情況複雜多變。
對於具體電池起火的情況，清華大學汽車工程開發研究院常務副院長、汽車安全與節能國家重點實驗室副主任宋健介紹，這一般是由於電池內部電解液及其分解產物被點燃造成的。
宋健介紹，從學術上來說，鋰離子主要做兩個運動，一個叫嵌入，一個叫脫出。不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。"內燃汽車的油箱，僅僅是一個儲存燃料的地方。而電動汽車的電池組不同，鋰電池既是一個儲能裝置，又是一個化學反應的裝置。電池在放電過程中同時進行著氧化反應，化學能轉變成為電能，然後輸出來驅動汽車電機。"
宋健指出，鋰電池中電解液是用易燃溶劑配置而成的，鋰電池的充放電過程，就是電解液中鋰離子的運動過程。鋰是一種活潑金屬，電池內的鋰如果暴露在空氣中，就會與氧氣產生激烈反應進而燃燒。
為了防止空氣進入電池內部，汽車電池製造商一般會用多層外殼或塑膜來封閉電池，使得鋰不會與氧氣接觸，廠商也會在電池包外殼包裹堅硬保護殼。不過，在電池內部又是另一番"脆弱"的環境。中國科學院院士歐陽明高指出，鋰電池的正極氧化劑和負極還原劑之間只隔一層微米級別厚度的隔離薄膜。目前電動汽車廠商為追求高能量密度、高續航,會將電池中的隔膜厚度進行削減，給電池造成了一定的安全隱患。
宋健表示，自己在實驗室做測試中就出現過隔離薄膜破裂的情況。"我們實驗室的研究結果，模仿電動汽車發生劇烈碰撞的狀況，電池在一定的碰撞衝擊力和大氣壓強下，薄膜就會發生破裂，正極上的氧化劑就容易與電解液發生化學反應，電池的正負極就發生短路了，局部溫度升高，就可能引燃電池的電解液。"宋健介紹道。
▲18650型鋰電池電芯內部拆解示意圖（圖片來源：中關村在線）
電動車上的電池都是通過串並聯成組工作，單個電池組（或電池包）發生熱失控之後，局部釋放的能量向周圍傳播，將可能引起周圍電池的熱失控。數千顆電池芯間引發連鎖反應，終致電池組全面起火爆炸，釋放巨大能量。所以在極端情況下，一個小故障就有可能會造成災難性的後果。
魚和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然矛盾
當前，鋰電池已與我們的生活越來越緊密，我們的手機、筆記本電腦裡面都有鋰電池。鋰電池指的是電化學體系中含鋰的電池，由正極材料、負極材料、電解液、隔膜材料四部分構成。因正極、負極材料不同，而被區分成不同種類的電池，如常用的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等，常用的負極材料石墨、錫基、硅基、鈦基等。
在2016年Model 3型汽車發佈前，特斯拉電動汽車採用松下提供的18650型號的鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時。特斯拉的MODEL S型汽車上的電池單元一共運用了約7千-9千節18650鋰電池，特斯拉的工程師首先將這些電池以磚、片逐一分配組成電池包，然後平鋪在車身底板上。
▲特斯拉model S型汽車的電池組，每輛車16組（圖片來源網絡）
早在1991年，索尼公司就發佈了首個商用鋰電池，同時索尼公司根據多年開發經驗，綜合考慮後定下了一種標準電池型號：直徑為18mm，長度為65mm的圓柱形電池——也就是我們今天常說的18650鋰電池。之後這種圓柱形的鋰電池徹底革新了消費電子產品的面貌。小到充電寶，大到汽車，這種圓柱形電池無時不刻不在影響著我們生活的方方面面。
今天松下、三星、LG等廠商旗下的的電池工廠仍然在24小時不停地生產著這種有著近30年曆史的產品。由於18650號電池的體積太小，無法通過工藝控制和原材料角度提高能量密度，降低電池成本，因而特斯拉從Model 3車型開始，使用增大體積的21700號鎳鈷鋁三元鋰電池，也就是直徑21mm、長度70mm的圓柱形電池。
三元鋰電池全稱"三元材料電池"或"三元聚合物鋰電池"。它指的以鎳鈷錳（鋁）三元材料做正極材料，以石墨為負極材料的電池，所以稱之為"三元"。
三元鋰電池的最大優勢在於電池儲能密度高，續航能力強；其次電池壽命、輸出功率、成本控制都不錯，因此特斯拉、比亞迪等國內外汽車產商都紛紛選擇採用。但其安全性卻令人擔憂，宋健指出，三元鋰電池中的三元材料在達到一定溫度時，會分解釋放出極活潑的初生態氧，即使在沒有外界氧氣供應的情況下，電池本身就具備可燃物、助燃物和著火源的燃燒三要素。
三元鋰電池中所含的鎳鈷錳(或鋁)三種金屬元素聚合物，在電池內部發揮了巨大的作用。鎳、鈷是元素週期表中副族中的活性金屬，主要作用是提升電池的體積能量密度，是提升續航里程的主要突破口，要想電池讓汽車跑得更遠，那就勢必要增加鎳、鈷在三元材料中的比值，不過也必須承擔兩者化學性質活潑帶來的安全隱患，魚和熊掌不可兼得。
"三元鋰電池中使用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性就越差。"中國工程院院士楊裕生曾發表文章，旗幟鮮明地反對大力發展三元鋰電池。楊裕生認為，國家新能源汽車的補貼機制鼓勵電動汽車搭載高能量密度電池，電池廠商為追逐利益，在缺乏科學性的情況下，才大力發展三元鋰電池。
優勢滿滿的全固態鋰電池發展緩慢
電池被安裝在空間有限的汽車裡，其能量密度決定了電動車的行駛距離，目前電動車用的鋰電池能量密度約為 120~150瓦時/公斤，根據《中國製造2025》動力電池發展規劃：到2020年，國產電動汽車的電池能量密度將達到300瓦時/公斤，2025年達到400瓦時/公斤,到2030年達到500瓦時/公斤。
隨著電芯和電池系統能量密度的進一步增加，保障動力電池系統安全的需求也會更加強烈，挑戰和難度也將隨之提升。十三屆全國政協副主席、中國科協主席萬鋼也曾公開表示，在發展電池能量密度的同時，要將動力電池系統電-熱安全作為電動汽車發展最關鍵的指標，從動力電池的單體模塊、電池包、電-熱管理以及結構佈置等方面綜合考慮，重視材料的穩定性、充放電機制、熱失控防護和電-熱管理系統。
▲特斯拉汽車的動力電池包採用的液冷結構散熱方式（圖片來源網絡）
電池能量密度的躍進對於電池來說本身就是一場"賭注"，因為能量密度提升意味著需要採用更高活性的正負極材料，或減少隔離膜的厚度，兩項做法都將大幅增加電池的危險性。
如何解決能量密度和安全性的矛盾？中國科學院院士歐陽明高接受媒體採訪時候表示，全固態鋰電池是未來電池發展的方向。他介紹，目前業內正在研究一種全固態電池，不會發生刺穿隔膜的問題。
歐陽明高院士強調，這個詞的每一個字都不能少、不能變，所謂"全固態鋰電池"是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態，不含任何液態成分的鋰電池。
全固態鋰電池由於採用高熱穩定性的固態電解質，代替了易燃的常規有機溶劑電解液，電池燃燒問題可以得到有效解決。搭載全固態鋰電池的汽車，自燃概率會大大降低，可以說是下一代新能源汽車動力電池的理想對象。
不過歐陽明高院士坦承，真正意義上的全固態鋰電池技術，現在仍然是不成熟的。"全固態鋰電池的固態界面接觸性是重要的技術難點，也就是電解質與電極之間形成高電阻界面問題，還存在技術不確定性，未來還需要較長時間的科研攻關。"
據悉，包括韓國三星、日本豐田在內的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態電池研發投入，目前已有部分電池進入測試階段。宋健介紹，儘管前景可期，但由於技術和工藝上的種種問題，發展固態電池的道路還需要進一步探究。"目前在實驗室中已經有全固態鋰電池的樣品出現，不過價格高昂，配備在汽車上，汽車的起售價動輒會上百萬人民幣。"
此外，就儲能性能來說，全固態鋰電池並非完美無缺，其最大的一個缺點就是高倍率放電性能極差，原因就是鋰離子的固態擴散速度比在溶液裡擴散慢得多。不過一旦前面這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。
中國工程院院士楊裕生：電動汽車的發展路線與下一代動力電池
http://www.sohu.com/a/275884228_618917
歐陽明高院士詳解鋰電池技術發展方向
http://www.escn.com.cn/news/show-548946.html
萬鋼：動力電池系統電-熱安全仍是新能源汽車發展最關鍵指標
http://news.china.com.cn/txt/2019-01/14/content_74370146.htm
出品：科普中央廚房
監製：北京科技報 | 科學加客戶端
歡迎朋友圈轉發
請發郵件至[email protected]
閱讀更多權威有用的科普文章、瞭解更多精彩科技活動，請下載“科學加”客戶端。蘋果用戶可以在App store搜索“科學加”下載安裝，安卓用戶可以在應用寶、３６０手機助手、豌豆莢、華為、小米等應用市場搜索“科學加”下載安裝。
閱讀更多 科學加 的文章
