邁入電能源革命時(shí)代,總不免擔(dān)憂那一柄懸在我們頭上的“達(dá)摩克利斯之劍”——鋰離子電池的安全性。為什么應(yīng)用到電動(dòng)車、儲(chǔ)能電站,鋰離子電池發(fā)生了這么多爆炸事故?記者就此采訪了有關(guān)專家。
大部分電動(dòng)汽車事故緣于“自燃”
鋰離子電池發(fā)生爆炸事故,其實(shí)有一個(gè)概率。有專家舉例,比如某進(jìn)口電動(dòng)車所用的某進(jìn)口電池號(hào)稱事故概率僅為一千萬分之一,但一輛車上要裝8000只這種電池,相當(dāng)于一千萬只電池能夠裝1250輛電動(dòng)汽車。也就是理論上1250輛電動(dòng)汽車中,就有一輛車?yán)锏哪持浑姵赜锌赡軙?huì)發(fā)生事故。若這個(gè)事故屬于電池燃燒或者爆炸級(jí)別的事故,就有可能引發(fā)其周圍的電池發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),進(jìn)而造成電動(dòng)汽車燃燒的大事故。
為什么鋰離子電池會(huì)燃燒甚至爆炸?
“鋰離子電池是一種含能元器件,其主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等組成。”河北科技大學(xué)材料學(xué)院教授王波解釋,充電后其正極一般為過渡金屬氧化物,具有較強(qiáng)的氧化性;負(fù)極則為內(nèi)部嵌入大量鋰的石墨,有極強(qiáng)的還原性。電解液一般為有機(jī)酯類,具有熔點(diǎn)低、可燃等特點(diǎn)。由此可見,理論上鋰離子電池本征便可能發(fā)生高放熱的氧化還原反應(yīng),且其內(nèi)含的可燃電解液也會(huì)助推此反應(yīng),帶來燃燒甚至爆炸的后果。
根據(jù)近年來電動(dòng)汽車事故場(chǎng)景統(tǒng)計(jì),大部分事故都是由于“自燃”,包括靜置時(shí)(電池?zé)o充放電)、行駛時(shí)(電池放電)和充電時(shí);少部分是有外部熱源、碰撞和控制電路失效時(shí)發(fā)生的事故。
“自燃”屬于自發(fā)性熱失控。王波介紹,熱失控是由于鋰離子電池在發(fā)生了擠壓變形、穿刺或者高溫炙烤等導(dǎo)致隔膜被破壞引發(fā)正負(fù)極短路,或者由于電池外部短路,導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)積累了大量熱量,引發(fā)正負(fù)極活性物質(zhì)和電解液等發(fā)生分解,導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸,嚴(yán)重威脅使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
據(jù)介紹,隨著鋰電池能量密度和電池容量的不斷提升,鋰電池在使用中往往都是由數(shù)十只、數(shù)百只甚至是數(shù)千只電池通過串并聯(lián)組成,如果其中的一只電池發(fā)生熱失控,就可能會(huì)在電池組內(nèi)蔓延,引起嚴(yán)重的后果。
威力會(huì)有多大?有業(yè)內(nèi)人士表示,光從其儲(chǔ)存電能的角度來說,150Wh/kg能量密度的普通鋰離子電池的電能,大約是三硝基甲苯(TNT)炸藥爆炸產(chǎn)生熱量能量密度的1/10。
鋰電池?zé)崾Э仉y以預(yù)測(cè)
自發(fā)式的熱失控是目前鋰離子電池最大的安全“焦慮”。王波說,這種危害最大的自發(fā)式內(nèi)短路是不能預(yù)測(cè)的。
主要原因一是這個(gè)衰變到內(nèi)短路過程十分緩慢且外界電壓信號(hào)不明顯,二是出事的電池都在幾分鐘內(nèi)直接進(jìn)入破壞式的熱失控,電池全毀,證據(jù)無法回溯,也使得此領(lǐng)域研究進(jìn)展緩慢。
此外,真正精確模擬自發(fā)式內(nèi)短路的過程,目前仍是一個(gè)難題。電池類似一個(gè)黑箱,盡管能用一些電化學(xué)譜學(xué)和原位CT的技術(shù)手段從外部監(jiān)控個(gè)別電池的電化學(xué)反應(yīng)與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化,但無法預(yù)測(cè)數(shù)千萬只電池中哪只會(huì)在數(shù)個(gè)月或數(shù)年后“猝死”并對(duì)其全生命周期的演變進(jìn)行細(xì)致研究。
但王波也表示,根據(jù)電池?zé)崾Э厍氨碚鲄?shù)體系,也可以進(jìn)行早期的熱失控探測(cè)。采用多傳感器融合技術(shù)(特征氣體、煙霧、溫度),結(jié)合非標(biāo)鋰電池?zé)崾Э嘏袛嗨惴ㄅ袛嚯姵禺惓顟B(tài)(SOC、溫度、漏液),實(shí)時(shí)監(jiān)控電池?zé)崾Э仉A段,實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э卦缙诜旨?jí)預(yù)警,對(duì)于故障電池的位置能作出有效辨識(shí),根據(jù)預(yù)警信息快速定位。
同時(shí),科學(xué)家們也把目光投向更多的新型材料。
“固態(tài)電池和鈉電池是目前研究的新方向,固態(tài)電池未來可能取代鋰電池用于電動(dòng)汽車,鈉電池未來可能取代鋰電池用于儲(chǔ)能。”王波說,固態(tài)電池將液態(tài)電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì),大大降低熱失控風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)更高的充放電功率;鈉離子電池能量密度不佳,但它的化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定,所以它對(duì)溫度并不敏感,不容易形成鋰枝晶那樣堅(jiān)硬的枝晶,在抗低溫和安全性上較同類別的鋰離子電池也有明顯的優(yōu)勢(shì)。
業(yè)內(nèi)人士表示,根據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,電動(dòng)汽車在我國中長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略與未來可持續(xù)發(fā)展中具有重要地位。隨著電池技術(shù)體系的持續(xù)高速發(fā)展,未來5-10年,其可靠性與安全性必將顯著提升。
原標(biāo)題:鋰離子電池爆炸,技術(shù)能制止嗎?