欧阳明高：新能源汽车动力电池安全问题分析及解决思路

以下是中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高演讲内容：

各位来宾,大家下午好!刚才罗市长已经说了,最近电动汽车事故非常引人关注,所以我今天重点来说一下电动汽车的安全性问题。

我想分四个方面给大家介绍,首先是电动汽车事故统计。这是近年以来国外电动汽车自燃起火的原因汇总,主要是碰撞后起火。其实燃油车碰撞之后也会起火,这是国内统计的起火的情况。国内起火主要有这么几个特征:

第一,是三元电池为主,磷酸铁锂也有,主要是三元电池,超过一半。

第二,圆柱形电池为主,这是其中一个比较主要的类型,因为它是钢壳,卷的比较紧,所以一旦发生热失控,它会爆炸,之后会引燃其他电池。

第三,充电失火的事故占比比较大。一般来说电池如果放电到一定深度之后不会热失控,热失控一般都是在满电状态,所以在充电的时候容易引起,因为充电的时候,电池与充电系统连在一起,又是热失控最容易的时候,同时还有高压电器的短路等等,都会容易引起事故。

还有,从车型的角度,新旧车型都有,电池的系统比能量并不是很高,因为现在发生事故的主要是前几年装的车,总体来看系统比能量并不是非常高,并不是我们所认为的非常高的比能量电池。

电池热失控应该说是这些事故的主因,什么叫电池的热失控呢?电池温度到达一定时候电池就会有连锁的负反应,放热的反应,所以温度快速上升,最高的速度可以达到每秒钟温升接近1千度,所以它的速度是非常快的。

热失控是什么引起的呢?首先是电池过热了,刚才说了,电池热了才会热失控,过热的原因有各种各样的,有可能是电池包本身温度不均匀,有局部区域温度高,过充过放、外短路、内短路等等这些电的原因会放热,还有机械原因,比方进水、密封不好、碰撞等等。

产品质量问题

下面我们看看最近这些事故的主体原因,我们认为是产品质量问题。产品质量问题就是指产品在设计、制造、验证、使用过程中没有严格遵守相关技术标准和规范。主要有三类,第一,电池产品测试验证不足;第二,车辆使用过程中可靠性变化;第三,充电安全管理技术有问题。下面我们来分析一下这几个方面。

首先,电池产品测试验证不足。由于补贴退坡的政策周期是一年一次,与产品的开发周期总体来看不是很匹配,比如说我们化学材料体系的改进一般要一年以上,但是因为企业跟着补贴的指挥棒走,盲目的追求高比能量,缩短了测试验证的时间。有时候为了缩短开发周期往往首选物理的改进方法,比如把电池活性材料增厚,隔膜减薄,这样电池比能量会上升,但是安全性能下降。

第二是电动电池测试验证的手段不完善,不能反映实车的使用条件,很大一部分企业并没有建立企业内部的电池安全测试标准,部分企业甚至就没有电池安全测试的能力,生产出来的质量也就是参差不齐的。

第三个原因就是车辆使用老化过程中可靠性降低。比如说全生命周期中防水的效果不佳,一般我们电池的密封是要通过IP67标准,但是当车辆使用时间长了之后,密封就会变差,导致车辆进水,就会容易造成短路。还比如电池的激光焊接的接头,焊接点内部容易出现空隙,这些空隙就会带来阻抗增加,进而发热导致高温点,引起热失控。还有就是电池系统和充电机高压电器老化,比如我们充电时候的接触器经常开断,有时候就会拉弧,造成高温和接触器表面的这种烧损或者粘连,会短路、会发热,这些都是热失控的原因。

第四个原因就是充电,充电过程中数据通讯不规范,BMS的厂商和充电机的厂商没有严格的执行新颁布的国家标准。充电的功能安全,按道理我们的电池管理系统关于充电是有很好的断电功能的,充到什么时候都是由电池管理系统控制的,我们目前并没有严格执行功能安全的规范,就是ISO26262这个规范,目前并没有完全的贯彻落实这个规范,这也是我们没有遵守规范的原因导致的。不严格执行充电安全的相关标准,比如说我们充电继电器的粘连应该有诊断功能,但有的为了节省成本就没有。电池管理系统与充电桩没有装备合格的绝缘检测装置,车辆与充电桩形成的充电回路没有满足标准要求的绝缘电压、爬电距离、过载、IP等级、插拔力、锁止、温升、雷击等各项指标要求,BMS未严格遵守充电引导的规范。为什么说是质量问题?就是我们在设计、制造、使用、验证各个环节,没有严格的遵守标准和规范,当然我们也缺少一些,比如说我们的安全年检,这是缺少的,但这不是企业的事,这是政府要做的事情。

高比能量电池面临的安全技术挑战

根据中国新能源汽车动力电池比能量发展的趋势,我们很快就会向300瓦时/公斤的高比能量电池迈进,很快这些产品就会进入市场,就是所谓的高镍三元811电池很快就会进入市场,这些高比能量的电池会比原先的这些相对低的比能量的电池所面临的安全技术的要求会更高。在这方面,我们清华大学专门建了电池安全实验室开展相关的基础研究和技术开发,在这里给大家简单的介绍一下研发结果,供大家参考。

目前清华大学电池安全实验室跟国内外企业和研究机构开展了广泛的合作,包括宝马、奔驰、日产等大公司。

研究重点是在热失控的三个方面,一是热失控的诱因,包括热、电、机械的原因。二是热失控发生的机理究竟是什么,从而在材料设计层面加以防护。三是热蔓延,一旦单体电池防止不了热失控,就得有二次防护手段,就是在系统层面要切断热失控的蔓延,只要切断蔓延就可以防止事故。我们对高比能量电池的热失控控制,不仅靠材料本身,还要从系统层面来进行。

首先是关于热失控的发生机理与抑制。我们从两个实验手段上开展,一个是从事材料热稳定性研究的差示扫描量热仪,一个是电池单体热失控测量的加速量热仪。

高比能量电池热失控的几个特征温度。一般来说,当电池温度升高到一定程度,电池就会自产热,我们把这个温度叫T1,产热发生到一定程度无法抑制,热失控触发,叫T2,最后温度上升到最高点我们叫T3。热失控机理不清楚的主要是发生在T2到T3阶段。一般认为是内短路造成的,对常规电池的确是这样,但是我们在研究中发现对高比能量不完全是这样。我们发现没有内短路,照样有热失控。这是因为高比能量电池的耐高温新型隔膜到200度以上没有变化,电解液基本完全蒸发了,但在230-250度时,正极材料相变放出的氧与负极反应产生了放热高峰。

另外我们看一下各种不同镍含量的三元锂离子电池的差异。811电池跟现在常用的622或者532相比, 811的放热峰明显的都比其它高很多,表明811的热稳定性较差。经过分析我们得到的初步结论是,高镍正极对全电池安全有较大的影响,硅炭负极对安全在初期影响不大,但是在循环衰减后影响比较大。

应对这种热稳定差也有一系列的改进途径,比如说材料的包覆等,我们还发现了一个新的方法,就是用单晶颗粒来替代多晶的正极材料,电池的热稳定性有非常好的改善,相应的安全性也有很好的改善。

第二就是热蔓延,真正的事故是热蔓延导致的,就是一个电池单体热失控之后,所有电池包全部蔓延起来,着火事故就发生了。

根据我们对热失控蔓延过程的测试和仿真的传热分析,设计了一种隔热的方法,就是在主导传热的路径上加隔热材料,实验发现确实达到了隔断热失控蔓延的效果。这种防火墙技术已经在中国倡导的国际电动汽车热失控蔓延的法规中得到采纳。

第三个方面,是热失控的诱因和电池管理。第一个诱因就是内短路,对在用电池和事故电池的分析发现,电池制造时均匀的极片在使用一段时间之后会产生折叠区域的破裂,容易发生局部的析锂,从而导致热失控。另外就是制造过程中的杂质也会引起内部的短路,我们把这个叫电池的癌症,因为不知道它什么时候诱发热失控,有时候往往会经历很长时间之后产生内短路。为此我们发明了电池内短路的一个替代实验方法,通过在一个特定电池里面植入记忆合金实现预期的内短路。我们研究之后把内短路分成了四类,其中铝集流体和负极相连是最危险的内短路。也是必须要提前预警的,为此我们做了一系列的研究,并获得了内短路的三阶段演变过程。第一阶段,只有电压的下调,没有温度的上升;第二阶段才有温度的上升,第三阶段才发生急剧的温度上升现象,也就是热失控。根据这个演变过程,我们争取在前两个阶段把内短路判别出来,就可以提前15分钟将可能引发热失控的内短路预警出来,这一技术已经与宁德时代进行了合作。

第二个方面就是充电,我们通过测试分析搞清了过充热失控机理,在此基础上,通过热电耦合模型来预测电池过充热失控的表现。过充事故一般是微过充,比如电池的不一致性导致的,因为不一致,充电过程中有的地方已经充满了,有的地方还没有充满,就会导致有一些充满的电池微过充,接着就会在负极材料上析锂,产生锂枝晶,就是所谓的析锂,导致安全性变差,导致短路。

为了解决这一问题,我们开发了基于参比电极的无析锂快充技术,把负极的电位控制在零以上(零以下会析锂),这需要增加一个电极,即三电极。在三电极基础上,可以基于模型进行反馈和观察,这就是我们的无析锂快充技术,这种技术应用之后就没有析锂发生,而且充电速度加快。

第三个原因是老化。电池老化后的不一致性会扩大,这就是电池循环次数的增加不一致性会变得越来越大的原因,而随着容量一致性变差,电池管理的精确性也就很差。另外,低温环境下的老化会严重影响电池的热稳定性,发生热失控的自生热温度会降低,这就更容易导致热失控。

通过对这些问题的分析,我们发现保障电池系统安全性的核心是研发先进的电池管理系统。目前,在电池管理系统方面,国内的产品的功能不足、精度不够,尤其是安全功能不全,因此需要加大电池管理系统的研发力度。清华在电池管理系统的积淀比较丰富,已经获得65项专利授权,这些专利在国内外著名公司合作中得到了应用,其中部分专利也授权给了奔驰汽车公司。

那么我们如何彻底解决电池安全性问题?近期可以通过一些技术来保障安全性,但是长远看,要保障电池的绝对安全就需要前瞻性的科学研究。锂离子动力电池高比能是全世界范围的发展方向和趋势,我们不能因为有安全问题就不发展高比能量电池,关键是把握高比能量与安全性之间的平衡点。比如高镍三元锂离子动力电池的本征安全问题,其机理是正极会释放氧,我们可以通过界面的修饰来延缓正极释氧,提高稳定性;再一个就是开发下一代的固态电解质,从根本上解决电解液燃烧的问题。

基于各国动力电池技术路线的比较,短期是液态电解液的锂离子电池,下一步将会向固态电池方向发展。综合考虑电池成本和动力电池的发展方向,我们建议我国也应该走类似的路径,即短期是液态电解质,发展高镍三元正极和硅炭负极,通过电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生,这类电池能够满足电动汽车500公里续驶里程的要求。中长期,从液态电解质逐步过渡到全固态电池,估计在2030年全固态电池将会得到产业化应用。

总之,我们要力争解决动力电池本征安全问题,保障新能源汽车行业的健康发展。对我的报告的总结,可以归纳为:我们要正确看待近期新能源汽车起火的事件,其主要原因是产品质量问题,没有遵守技术规范和技术标准、技术验证周期偏短等等。

在政策方面的建议

第一,原有的产业化目标(2020年单体达到350瓦时/公斤,系统260瓦时/公斤,循环寿命2000次)是偏高的,从安全角度考虑,我认为不宜强行推行。

第二,补贴政策要符合技术发展的规律,对能量密度的提升不宜过快、不宜更改过频,这是我对财政部的建议。

第三,尽快推出电动汽车安全年检规范。同时,为了更好处理和分析电动汽车事故,最好有电动汽车黑匣子,同时电池包要留有消防安全的接口,目前的电池包封的很死,导致消防灭火的时候困难重重,这些是对公安部的建议。

最后,我觉得电池安全是电池技术革命性突破的第一重点,也是纯电动汽车性能提升的第一关键,电池产业发展越后期电池安全就越变成一个瓶颈技术,比如十分钟充300公里以上的电的快充技术,会对电池安全带来挑战,电压从300V提高到600V甚至800V,这些都与安全相关,也是今后纯电动汽车竞争的主战场。可以说安全是电动汽车可持续发展的生命线,动力电池国家科技研发要以安全为核心,全面提升现有锂离子动力电池系统安全技术,全力突破新型固态电池技术。