化工技術(shù)要為鋰電池安全問題出把力

　　隨著雙碳相關(guān)工作推進(jìn)以及新能源汽車產(chǎn)銷量飆升，鋰電池板塊火了。不過，電動(dòng)車、儲(chǔ)能電站等較大容量的鋰電池應(yīng)用安全隱患也浮出水面。

　　2021年12月21日提請(qǐng)審議的全國(guó)人大常委會(huì)執(zhí)法檢查組關(guān)于檢查消防法實(shí)施情況的報(bào)告指出，2021年1～10月全國(guó)發(fā)生電動(dòng)自行車及其電池故障共引發(fā)1.4萬余起火災(zāi)，死亡41人、受傷157人。報(bào)告指出，電動(dòng)自行車、新能源汽車、鋰電等儲(chǔ)能設(shè)備火災(zāi)爆炸事故呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

　　今年一開年，鋰電池再爆險(xiǎn)情。1月12日，京港澳高速湖北武漢往湖南長(zhǎng)沙方向一輛大貨車起火。據(jù)悉，該車滿載著磷酸鐵鋰電池模塊，從北京出發(fā)運(yùn)往海南，貨車在行駛過程中起火。司機(jī)發(fā)現(xiàn)時(shí)火勢(shì)已迅速蔓延，趕緊靠邊停車逃生，并撥打119報(bào)警求救。

　　鋰電池的安全性還能讓人放心嗎?

　　據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)，磷酸鐵鋰電池占比近90%，是主流技術(shù)路線，也是商業(yè)化進(jìn)程最快的技術(shù)之一。業(yè)內(nèi)專家表示，相比鉛酸、鎳氫電池，鋰電池環(huán)境兼容性強(qiáng)、污染較低、性價(jià)比較高，優(yōu)勢(shì)突出。而在我國(guó)主流的鋰電池技術(shù)路線中，磷酸鐵鋰電池以安全穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境污染小、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域大規(guī)模儲(chǔ)能電站的首選。中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)秘書長(zhǎng)劉勇介紹，磷酸鐵鋰具有橄欖石結(jié)構(gòu)，鐵離子氧化能力不強(qiáng)，晶體中的磷-氧鍵穩(wěn)固，在200～400攝氏度之間基本不發(fā)生分解，其熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是目前所有正極材料中最高的。

　　然而，即便是以高穩(wěn)定性著稱的磷酸鐵鋰電池也會(huì)發(fā)生內(nèi)部短路故障。

　　湖北億緯動(dòng)力有限公司儲(chǔ)能銷售中心副總裁陳翔表示，從專業(yè)的角度來分析，電池內(nèi)部發(fā)生短路的原因有很多。比如，鋰電池在制造過程中本身可能有些小瑕疵，會(huì)形成短路;在使用過程中出現(xiàn)了撞擊、過充或者過放，也可能導(dǎo)致短路。

　　劉勇也提醒，材料體系穩(wěn)定不代表電池的絕對(duì)安全。磷酸鐵鋰納米級(jí)顆粒較小，采用碳包覆工藝，粘結(jié)劑對(duì)納米顆粒的粘附力較差。因此，在電池制備及充放電循環(huán)過程中，存在納米顆粒脫離造成電池內(nèi)部微短路的可能性。

　　江西贛鋒鋰電科技股份有限公司首席科學(xué)家許曉雄補(bǔ)充說，傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池都是液態(tài)電解質(zhì)電池，電池破損后，有機(jī)電解液遇水反應(yīng)會(huì)生成劇毒的氟化氫，燃燒以后還會(huì)排放二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等。這些有毒氣體的危害可能比起火、爆炸本身更麻煩。

　　而廣州智光儲(chǔ)能科技有限公司董事長(zhǎng)姜新宇等多位業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，應(yīng)該理性看待鋰電池的安全性問題。因?yàn)槿加蛙?、氫能車、液化天然氣車都有起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能作為一種基于化學(xué)反應(yīng)原理的技術(shù)，很難做到絕對(duì)安全，但這不一定影響其安全使用。關(guān)鍵是要將它的不穩(wěn)定、不可控的安全風(fēng)險(xiǎn)降到足夠低，將事故風(fēng)險(xiǎn)控制在人們可接受的范圍內(nèi)。

　　北方工業(yè)大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究中心研究員張翔表示，電池包由多個(gè)單體電池模塊組合而成，每個(gè)模塊之間由傳感器監(jiān)控。電池包在量產(chǎn)之前要按國(guó)家要求做各類實(shí)驗(yàn)，如高溫、高壓、高原等。實(shí)驗(yàn)全部通過后，電池包是安全可控的。數(shù)據(jù)顯示，新能源汽車起火、爆炸、自燃的幾率低于燃油汽車的1/3。消費(fèi)者不用過分擔(dān)心其安全問題。

　　如何最大程度降低技術(shù)的固有安全性隱患、提升鋰電池系統(tǒng)的整體安全水平呢?業(yè)內(nèi)專家指出，儲(chǔ)能安全是個(gè)系統(tǒng)工程。為了解決傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的安全問題，提升經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)做了不少技術(shù)探索和研究，一些嘗試已取得突破。

　　針對(duì)鋰電池液態(tài)電解質(zhì)的弊端，一些企業(yè)正在嘗試用固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)。在國(guó)家工信部公示的《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》(第351批)中，東風(fēng)汽車申報(bào)的一款純電動(dòng)轎車搭載了混合固液電解質(zhì)鋰電池。許曉雄介紹，從2022年開始，江西贛鋒鋰電科技股份有限公司的混合固液電解質(zhì)鋰電池就逐步進(jìn)入乘用車市場(chǎng)。現(xiàn)在，他們的固態(tài)+鋰電池技術(shù)向多個(gè)方向滲透，包括手機(jī)電池、兩輪車電池、筆記本電腦電池、移動(dòng)儲(chǔ)能電池等領(lǐng)域。許曉雄認(rèn)為，安全是鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生命線。動(dòng)力鋰電池的目標(biāo)是做高能量密度，儲(chǔ)能鋰電池的目標(biāo)是做到長(zhǎng)循環(huán)壽命以降低成本。考慮到這兩點(diǎn)，電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域未來最有前途的技術(shù)路線應(yīng)是固態(tài)化技術(shù)與磷酸鐵鋰電池技術(shù)嫁接。

　　還有一些企業(yè)從電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上入手，比如刀片電池、矩陣電池包、彈匣電池等。

　　傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)是一個(gè)模塊與另一個(gè)模塊相連。比亞迪股份有限公司把電池設(shè)計(jì)成了片狀、條狀，像刀片一樣，刀片電池名字由此而來。刀片電池扁平的設(shè)計(jì)，使得其電極極板層數(shù)少，在外界損壞比如針刺以后，觸發(fā)短路導(dǎo)致的發(fā)熱量就很少，而扁平的設(shè)計(jì)又有利于散熱，就不會(huì)發(fā)生溫度驟升和冒煙起火事故。同時(shí)，刀片電池在電芯方面還有疊片結(jié)構(gòu)加陶瓷涂層技術(shù)等高科技的應(yīng)用。

　　蜂巢能源科技有限公司通過自主創(chuàng)新，推出短刀片磷酸鐵鋰電芯和磷酸鐵鋰矩陣電池包。磷酸鐵鋰矩陣電池包采用鋁型材結(jié)構(gòu)，憑借高強(qiáng)度的外殼設(shè)計(jì)，能夠很好地保護(hù)電池包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前磷酸鐵鋰矩陣電池包已通過振動(dòng)、機(jī)械沖擊、碰撞、火燒等國(guó)標(biāo)要求的全部機(jī)械性能測(cè)試，順利通過了針刺試驗(yàn)。即使在嚴(yán)重碰撞情況下也可有效保護(hù)電芯不受侵入，保證電池包不起火、不爆炸。

　　廣汽集團(tuán)的彈匣電池是將一個(gè)個(gè)電芯放置在安全艙中，類似彈匣，中間采用航空級(jí)的二氧化硅級(jí)耐高溫納米材料，起到阻燃、隔熱效果。再就是配置極速降溫的三維速冷系統(tǒng)和全時(shí)管控第五代電池管理系統(tǒng)，避免了讓單電芯的火和高溫四處蔓延，必要時(shí)還可以對(duì)電芯實(shí)施極速降溫。

　　除了電池技術(shù)本身之外，有專家認(rèn)為，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化和技術(shù)升級(jí)也是確保安全性的重要方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)尚有較大提升空間。中能智慧能源科技(上海)有限公司總經(jīng)理朱強(qiáng)表示，儲(chǔ)能系統(tǒng)里電池最關(guān)鍵，如何用好電池同樣關(guān)鍵。在對(duì)現(xiàn)有主流鋰電池技術(shù)路線客觀理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，更應(yīng)該做好系統(tǒng)檢測(cè)和管控工作。大規(guī)模儲(chǔ)能電池往往是多個(gè)電芯串聯(lián)或并聯(lián)，一個(gè)電芯出問題，難免會(huì)波及相鄰電芯，從而引發(fā)事故。多位業(yè)內(nèi)人士表示，由于每家儲(chǔ)能企業(yè)的成本控制能力不同，再加上目前在大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，檢測(cè)和安全標(biāo)準(zhǔn)體系仍不健全，一些儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的安全性水平仍難準(zhǔn)確評(píng)估。

　　許多化工企業(yè)注意到，鋰電池和儲(chǔ)能與化工材料息息相關(guān)。提升大規(guī)模鋰電池儲(chǔ)能安全水平，不僅需要新能源行業(yè)的努力，更需要相關(guān)化工新材料行業(yè)的緊密配合。鋰電池市場(chǎng)正期待更多化工新材料技術(shù)為鋰電池安全提升發(fā)揮更大作用。