[汽車(chē)之家 電動(dòng)車(chē)技術(shù)]  什么是純電動(dòng)車(chē)發(fā)展道路上的絆腳石？這個(gè)問(wèn)題的答案不只一個(gè)，但眾多答案當(dāng)中，有一個(gè)最受到大家的重視，那就是電動(dòng)車(chē)的安全問(wèn)題，因?yàn)樗�和我們的生命安全息息相關(guān)。而在眾多影響電動(dòng)車(chē)安全的問(wèn)題當(dāng)中，電池安全最棘手、影響也最大，于是這一次我們打算用四期選題，追根溯源，從動(dòng)力電池的發(fā)展、現(xiàn)狀、未來(lái)等不同階段，以動(dòng)力電池輻射到整車(chē)，剖析純電動(dòng)車(chē)的安全問(wèn)題。

　　本期是該系列選題的第一期，我們將帶您回到中世紀(jì)，看看電池是如何誕生的，作為驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的能源，它又經(jīng)歷了什么，從什么時(shí)候開(kāi)始，它變成了“危險(xiǎn)份子”？

　　如果這世界上真的有時(shí)光機(jī)，那讓我們回到1786的一天，在意大利一個(gè)潮濕、充滿腥氣的解剖室當(dāng)中，來(lái)自意大利的解剖學(xué)家Luigi Galvani（伽爾瓦尼）和他的助手正準(zhǔn)備解剖一只死青蛙。當(dāng)他雙手舉著手術(shù)刀，碰觸到青蛙的腿部時(shí)，青蛙的腿部肌肉抽搐了一下。

　　這個(gè)名叫伏特的小伙子不僅是個(gè)貴族，同時(shí)還是一個(gè)物理學(xué)家，他受到本杰明·富蘭克林的啟發(fā)，多次實(shí)驗(yàn)論證，產(chǎn)生電流的并不是青蛙的肌肉，而是一些液體和兩塊異質(zhì)金屬。盡管伽爾瓦尼的結(jié)論并不準(zhǔn)確，但從他開(kāi)始，人們就開(kāi)啟了一系列對(duì)可儲(chǔ)存電能的研究。

　　可能是伏特太過(guò)于沉迷于掌聲，他并沒(méi)有深入對(duì)這些電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行研究，電流產(chǎn)生的基本原理，他并不知道。正如在發(fā)明了罐頭之后很多年人們才發(fā)明了開(kāi)瓶器一樣，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們并不知道電堆產(chǎn)生電的原理。

　　實(shí)際上“伏特電堆”的銀片和鋅片就是后來(lái)我們說(shuō)的電池的正負(fù)極，而鹽水浸濕的紙片就是后來(lái)的電解質(zhì)。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對(duì)化學(xué)電池進(jìn)行了多方面的嘗試，人們發(fā)現(xiàn)在電池產(chǎn)生電的同時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)很多氣泡（氫氣），氣泡控制不好，電池就容易膨脹、爆炸。

　　這時(shí)候的電池，電壓低、容易爆炸、因?yàn)殡娊赓|(zhì)使用的是硫酸，所以還有搬運(yùn)不方便的問(wèn)題存在，于是1888年，化學(xué)家卡斯尼爾將淀粉加入電解質(zhì)中，制成漿糊狀，從此這類(lèi)電池就被成為“干電池”。在這里需要說(shuō)明一下，現(xiàn)在動(dòng)力電池當(dāng)中的電解質(zhì)也是漿糊狀的，但為了和固態(tài)電池當(dāng)中固態(tài)的電解質(zhì)區(qū)分，我們也通常將前者叫做電解液。

　　隨后鎳鎘、鎳鐵電池被發(fā)明出來(lái)，但由于當(dāng)時(shí)這些材料比其它蓄電池的料貴得多，因此實(shí)際應(yīng)用受到了阻礙，但這也讓鎳這種正極材料體系的電池開(kāi)始進(jìn)入了人們的視野。之后科學(xué)家對(duì)電池的研究，都在如何讓電池的電力更持久、更安全、成本更低的道路上不斷努力。

　　如果大家還能背出元素周期表，那就會(huì)知道排在前列的鋰是比較活潑的金屬元素，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將復(fù)合材料混合鋰離子制成的電池能放出的電量最多，而且鋰的重量非常輕，用它制作的電池體積非常小，為電池的廣泛推廣、應(yīng)用打下基礎(chǔ)，但事物總有雙面性，鋰過(guò)于活躍，容易發(fā)生內(nèi)短路，存在的安全隱患比較多。

　　由于鋰活性較高，遇到水或者空氣都會(huì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致燃燒和爆炸，那么如何穩(wěn)定它呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，因此嘗試?yán)�用這個(gè)特性制作充電電池，首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。

　　由于該思路和當(dāng)時(shí)鋰離子電池研究的方向不大一致，當(dāng)時(shí)沒(méi)有任何一家企業(yè)敢接古迪納夫的發(fā)明，甚至他的母校牛津大學(xué)都不愿意為其申請(qǐng)專(zhuān)利。不過(guò)這時(shí)候一家來(lái)自日本的公司伸出了橄欖枝，它就是索尼公司。至此鋰離子電池發(fā)展的“權(quán)杖”從歐洲轉(zhuǎn)移到了亞洲。

　　實(shí)際上從1992年索尼將鋰離子電池商業(yè)化之后，鋰離子電池開(kāi)始大量在消費(fèi)電子產(chǎn)品中出現(xiàn)，廣泛的應(yīng)用不僅拉低了它的成本，同時(shí)也推動(dòng)了鋰離子電池的發(fā)展，能量密度更高、續(xù)航里程更長(zhǎng)，充電倍率更高、各種材料體系的鋰離子電池出現(xiàn)：鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰電池層出不窮。

　　磷酸鐵鋰材料相比鈷酸鋰材料擁有更結(jié)實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)，這意味著更加耐久和安全，并且它的主要構(gòu)成元素是我們生活中隨處可見(jiàn)的鐵和磷，所以生產(chǎn)成本要比鈷酸鋰低得多。后來(lái)人們對(duì)電池的能量密度又不太滿意了，于是更高電壓、能量密度更高的三元鋰電池出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中。

　　從電化學(xué)電池的發(fā)展歷程來(lái)看，它起源自歐洲，在亞洲被發(fā)揚(yáng)光大，通過(guò)多年的發(fā)展，目前鉛酸電池、鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰離子電池，它們因?yàn)楦髯缘摹皞�(gè)性”特征被應(yīng)用在生活的各個(gè)方面。那么鋰電池在這么多電池種類(lèi)當(dāng)中，憑什么脫穎而出成為車(chē)輛動(dòng)力電池的優(yōu)選？本身帶有不穩(wěn)定性的它，為什么還能讓車(chē)企業(yè)趨之若鶩呢？

　　早期的電動(dòng)車(chē)風(fēng)靡了很短暫的一陣，由于當(dāng)時(shí)用作動(dòng)力的鉛酸電池體積大、質(zhì)量大、能量密度小，電池重達(dá)1200磅，進(jìn)行維護(hù)的時(shí)候需要將其整個(gè)取下，且在電池的底部會(huì)形成沉淀物，不定時(shí)清理容易造成短路，硫酸等電解液會(huì)流出，造成中毒或發(fā)生爆炸。汽油車(chē)的先驅(qū)Charles Duryea查爾斯·杜里埃曾開(kāi)玩笑地說(shuō)：“一組電池比一座全是病人的醫(yī)院還難伺候”。當(dāng)時(shí)的電動(dòng)車(chē)沒(méi)能發(fā)展起來(lái)還有一個(gè)重要的原因，當(dāng)時(shí)電動(dòng)車(chē)依然是貴族的工具，因?yàn)闅W洲很多地方家里還沒(méi)有通電。

　　EV1使用的是鉛酸電池組，續(xù)航僅為96公里，鉛酸電池續(xù)航能力差也成為電動(dòng)車(chē)不能逾越的一道坎，盡管隨后通用使用了鎳合金電池組代替鉛酸電池，但續(xù)航里程僅達(dá)到260公里，和汽油車(chē)沒(méi)法比，且電池里的材料造價(jià)不菲、污染嚴(yán)重。

　　福特也曾嘗試使用鈉硫電池當(dāng)作動(dòng)力電池，它的續(xù)航能力是鉛酸電池的三倍，但這種電池在實(shí)驗(yàn)室中頻頻起火，最終沒(méi)能應(yīng)用到量產(chǎn)車(chē)上。雖然純電動(dòng)車(chē)型的發(fā)展受到了阻礙，但油電混合動(dòng)力車(chē)型在這個(gè)階段有了一定的發(fā)展，鎳氫電池也是在這時(shí)被廣泛使用，它穩(wěn)定性高、耐過(guò)充過(guò)放，即便能量密度低，續(xù)航里程少，但由于車(chē)型不單單是靠電力驅(qū)動(dòng)，因此它的缺點(diǎn)也能被人們所接受。

　　車(chē)用動(dòng)力電池從誕生起就一直在循環(huán)性能、成本、安全性、能量密度、容量這幾大方面尋找平衡點(diǎn)。實(shí)際上不僅是車(chē)用動(dòng)力電池，這幾大方面甚至貫穿了整個(gè)電池發(fā)展200多年的時(shí)間，人們?cè)诨ハ嗬�扯、選擇之間推動(dòng)著事物的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)是我們還將在這些方面不斷探索和前進(jìn)，作為車(chē)用動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，如何達(dá)到最完美的平衡，需要的可能是我們?nèi)�人�?lèi)的努力。（文/圖 汽車(chē)之家 姜田雙）

下期預(yù)告：

　　經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)選擇，鋰電池因?yàn)轶w積小，能量大，多次重復(fù)可充且無(wú)污染成為了車(chē)企的寵兒，唯一的缺點(diǎn)就是不那么穩(wěn)定，于是人們?cè)噲D通過(guò)電池的材料選擇、生產(chǎn)工藝和給電池安裝管理系統(tǒng)來(lái)保證安全性。下期文章我們將從鋰離子電池不安全的罪魁禍?zhǔn)渍f(shuō)起，看看鋰電池的安全問(wèn)題是否避無(wú)可避？引起現(xiàn)在電動(dòng)車(chē)起火、爆炸的外因、內(nèi)因又有哪些？

　　[汽車(chē)之家 電動(dòng)車(chē)技術(shù)]　　電動(dòng)車(chē)安全問(wèn)題一直是熱門(mén)話題，近期關(guān)于“811”三元鋰電池不安全的討論甚囂塵上，但脫離電池包、車(chē)輛整體單討論電芯未免過(guò)于片面。為什么這么說(shuō)？因?yàn)橐�發(fā)動(dòng)力電池不安全的原因很多，這一期我們就從鋰電池內(nèi)部探討一下，導(dǎo)致鋰離子電池不安全的罪魁禍?zhǔn)椎降资鞘裁矗楷F(xiàn)階段引起電動(dòng)車(chē)起火、爆炸的內(nèi)、外因又有哪些？鋰電池的安全問(wèn)題是否避無(wú)可避？

　　在說(shuō)鋰電池的不安全性之前，我們還得復(fù)習(xí)一下上一期的內(nèi)容，上一期，我們從歷史的長(zhǎng)河中了解了電池的誕生史，綜合各方面能力，鋰電池是目前純電動(dòng)乘用車(chē)動(dòng)力電池的最佳之選。鋰電池的基本結(jié)構(gòu)是由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，根據(jù)我們之前講的，鋰電池可以實(shí)現(xiàn)放電、充電，實(shí)際上是鋰離子在正、負(fù)極之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，發(fā)生氧化/還原反應(yīng)，這也是鋰電池被稱為“搖擺電池”的原因之一。

　　鋰電池發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)會(huì)釋放一定的熱量和氣體，當(dāng)內(nèi)部的熱量高于散熱速率，就會(huì)導(dǎo)致 “熱失控”現(xiàn)象�！盁崾Э亍爆F(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就意味著潘多拉的魔盒被打開(kāi)了，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)形成連鎖反應(yīng)，一旦“熱失控”現(xiàn)象無(wú)法被及時(shí)控制，極易引起燃燒、爆炸。

　　從鋰電池的工作原理我們可以得知，鋰電池自燃、爆炸的罪魁禍?zhǔn)资恰盁崾Э亍�，那什么情況下會(huì)引起“熱失控”？它真的避無(wú)可避嗎？ 

　　想要回答這個(gè)問(wèn)題可能不是特別容易，因?yàn)橐�起鋰電池“熱失控”的因素有很多，而且是相互混合的，總體可以歸結(jié)為電池內(nèi)、外短路、電氣濫用和機(jī)械濫用三大種。電池內(nèi)、外短路是指由于電池材料、生產(chǎn)原因而引起的內(nèi)部短路，進(jìn)而釋放了大量熱量導(dǎo)致的“熱失控”，在這里我們將單體電芯的內(nèi)短路和電池包內(nèi)的短路都?xì)w到這一類(lèi)。

　　三元鋰電池當(dāng)中鎳的比重越多，也代表著不穩(wěn)定因素越多，熱失控的危險(xiǎn)系數(shù)越高。一般的三元鋰電池?zé)崾Э販囟鹊陀?00℃，一些高鎳比例的三元鋰電池?zé)崾Э販囟壬踔恋陀?00℃，這也是目前不少人詬病高鎳比例三元鋰電池的原因。

　　而另一種鋰電池磷酸鐵鋰電池，它的穩(wěn)定性要比三元鋰電池要好，磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э販囟绕毡樵?00℃以上，相對(duì)來(lái)說(shuō)安全性更高，但磷酸鐵鋰電池也有缺點(diǎn)就是能量密度低，目前主流的磷酸鐵鋰電池能量密度一般在140-190Wh/kg左右。

　　三元鋰在容量、能量密度上都有優(yōu)勢(shì)，能夠帶來(lái)更長(zhǎng)的續(xù)航里程，只要控制得當(dāng)，它的優(yōu)勢(shì)能夠掩蓋它的劣勢(shì)，這也是當(dāng)前不少車(chē)企選擇三元鋰電池的原因之一。而磷酸鐵鋰在循環(huán)性能、安全性和成本上有一定的優(yōu)勢(shì)，也有不少車(chē)企開(kāi)始重新選擇使用磷酸鐵鋰電池，尤其是在一些對(duì)續(xù)航里程沒(méi)有那么剛性需求的車(chē)型上，比如微型車(chē)、小型代步車(chē)等。

　　從市場(chǎng)環(huán)境來(lái)看，目前車(chē)載動(dòng)力電池基本分為兩大陣營(yíng)，磷酸鐵鋰和三元鋰，且三元鋰電池的裝機(jī)量依然擁有較大的市場(chǎng)占有率。從安全的角度來(lái)說(shuō)，降低電池內(nèi)、外短路風(fēng)險(xiǎn)的辦法之一就是選擇相對(duì)穩(wěn)定的材料，或者加重電池材料當(dāng)中的穩(wěn)定物質(zhì)，比如錳、鋁的配備。不過(guò)高鎳的三元鋰電池也不是洪水猛獸，電池廠商和車(chē)企有電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電解液配方、隔膜特性、生產(chǎn)工藝模組和電池包的安全設(shè)計(jì)等一系列的解決方案。

○解決方案一：優(yōu)化電芯結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品素質(zhì)

　　這也是為什么車(chē)企都在追逐頭部電池企業(yè)，都選擇使用它們的電芯，因?yàn)檫@類(lèi)電池制造商的良品率、穩(wěn)定性和一致性相對(duì)較高。此外，針對(duì)鋰電池內(nèi)部電解液的易燃性，一些電池廠商還會(huì)增加一些不易燃燒的電解質(zhì)涂層，比如陶瓷涂層，目的就是為了延長(zhǎng)電池?zé)崾Э氐臅r(shí)間。

○解決方案二：選擇合適的封包形式、模組

　　除了材料選擇關(guān)系到電池的安全性，它的封裝形式對(duì)安全性起到至關(guān)重要的作用。目前我們主流的電池包裝方式以外殼形狀分為圓柱型、方殼型、軟包型三種。

　　早期的特斯拉Model S配備了7000節(jié)單體電芯，一個(gè)電池都不好控制，大量電池?zé)o疑會(huì)增加安全防控技術(shù)的負(fù)擔(dān)。目前主流的車(chē)企也逐漸“拋棄”了圓柱型動(dòng)力電池。根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示2017年我國(guó)新能源汽車(chē)圓柱動(dòng)力電池裝機(jī)總電量約12.57GWh，2018年裝機(jī)總電量減少到7.11GWh，到2019年圓柱電池裝機(jī)量不足5GWh。

　　電體電芯的安全需要把控，電池模組甚至是整個(gè)電池包的排布也非常講究，電池包內(nèi)部的線束、殼體都容易造成電池包的短路。

　　除了電池內(nèi)、外的短路，引起電池“熱失控”的另一個(gè)誘因就是電氣濫用，這里指的是過(guò)充、過(guò)放電、低溫下大電流充電等，這些都會(huì)增加電池“熱失控”的風(fēng)險(xiǎn)。

　　過(guò)度充電會(huì)導(dǎo)致過(guò)多鋰離子嵌入負(fù)極無(wú)法脫嵌，若過(guò)度放電，會(huì)導(dǎo)致負(fù)極層級(jí)結(jié)構(gòu)崩塌，使鋰離子無(wú)法再嵌入其中，久而久之產(chǎn)生的結(jié)果就是電池容量降低、壽命縮短，而且過(guò)充還加劇鋰枝晶的成長(zhǎng)。

○解決方案一：電路保護(hù)、配備大管家

　　電池管理系統(tǒng)包括電池傳感器和電池溫控系統(tǒng)，電池傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)控每個(gè)電芯的電壓和溫度，確保電池包內(nèi)的平衡，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)單體電池過(guò)充、另一個(gè)又充不滿。且一旦發(fā)現(xiàn)不正�，F(xiàn)象，系統(tǒng)能夠及時(shí)上報(bào)到車(chē)輛電腦內(nèi)，并發(fā)出警報(bào)，以便駕乘人員有足夠的時(shí)間做出判斷。

○解決方案二：強(qiáng)制鎖電

　　一些車(chē)企會(huì)提供車(chē)輛充電上限可調(diào)節(jié)，用戶可設(shè)定每次充電的上限，并通過(guò)用戶手冊(cè)對(duì)車(chē)主進(jìn)行教育，充到80%以上即可�？焖俪潆姇r(shí)，電量達(dá)到80%以上，電流會(huì)下降也可以看作是保護(hù)電池過(guò)充的方法之一，選擇上述哪種方法來(lái)保護(hù)電池健康是每個(gè)汽車(chē)廠商不同策略的選擇，隨著人們對(duì)電動(dòng)車(chē)安全問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，電池保護(hù)也逐漸成為了更多汽車(chē)廠商研究的課題。

　　機(jī)械濫用是由于外力的作用，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，導(dǎo)致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內(nèi)部短路，易燃電解質(zhì)泄漏最終引發(fā)起火。這個(gè)誘因很好理解，不用說(shuō)那么多理論來(lái)解釋了，也因?yàn)槿绱�，它的解決方案也比較直接，一則是防，另一則是隔。

○解決方案一：提高抗擊打能力

○解決方案二：避免殃及池魚(yú)

　　防，是保護(hù)電池不受外力沖擊的第一層關(guān)卡，不過(guò)一旦發(fā)生了熱失控或者電池包內(nèi)一個(gè)電芯出現(xiàn)了過(guò)熱現(xiàn)象，那就需要第二道關(guān)卡來(lái)保護(hù)安全了，那就是隔。

　　總體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是增加電池包內(nèi)的隔離材料還是增加隔離空間都會(huì)造成電池包增重、降低電池包內(nèi)容量，都會(huì)影響到整車(chē)的續(xù)航里程，也正因如此，一些車(chē)企也會(huì)為了追求更高的續(xù)航里程而走更加激進(jìn)的路線，放棄這部分設(shè)計(jì)。

全文總結(jié)：

　　我們知道了鋰電池危險(xiǎn)的源頭來(lái)自“熱失控”，而導(dǎo)致“熱失控”的誘因不僅來(lái)自電池原材料，還和電芯生產(chǎn)工藝、模組設(shè)計(jì)甚至與電池包內(nèi)電池管理系統(tǒng)、車(chē)身結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，所以要討論動(dòng)力電池安全與否，也不能單單從它是三元鋰還是磷酸鐵鋰這么片面的角度去討論，而是要看電池包整體甚至是車(chē)輛整體的設(shè)計(jì)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，車(chē)企想要選擇能量密度更高的高鎳三元鋰電池，就要有更為系統(tǒng)性的規(guī)劃和更為出色的電池管理系統(tǒng)，來(lái)平衡它的不穩(wěn)定性。（文/圖 汽車(chē)之家 姜田雙）

下期預(yù)告：

　　這兩期我們從歷史和原理上解決了一個(gè)問(wèn)題，“鋰電池為什么不安全”，下面一期我們將重點(diǎn)圍繞我國(guó)純電動(dòng)車(chē)電池安全的現(xiàn)狀，看看目前困擾我們的電池安全問(wèn)題都有哪些？國(guó)家有沒(méi)有什么相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范純電動(dòng)車(chē)的安全問(wèn)題，而我們的車(chē)企和電池廠商為了安全問(wèn)題都做了些什么？