在剛剛結(jié)束不久的“2018第二屆全球未來出行大會(huì)”上，中國科學(xué)院院士、中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長(zhǎng)歐陽明高發(fā)表了對(duì)動(dòng)力電池安全性方面的看法。他對(duì)引起電池安全的熱失控問題進(jìn)行了深入解讀，并提出了解決問題的方法和政策方面的建議。

根據(jù)中國新能源汽車動(dòng)力電池比能量發(fā)展的趨勢(shì)，我們很快就會(huì)向300瓦時(shí)／公斤的高比能量電池邁進(jìn)，很快這些產(chǎn)品就會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)，就是所謂的高鎳三元811電池很快就會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)，這些高比能量的電池會(huì)比原先的這些相對(duì)低的比能量的電池所面臨的安全技術(shù)的要求會(huì)更高。在這方面，我們清華大學(xué)專門建了電池安全實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，在這里給大家簡(jiǎn)單的介紹一下研發(fā)結(jié)果，供大家參考。

目前清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室跟國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開展了廣泛的合作，包括寶馬、奔馳、日產(chǎn)等大公司。

熱失控成為是動(dòng)力電池安全最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)

研究重點(diǎn)是在熱失控的三個(gè)方面，一是熱失控的誘因，包括熱、電、機(jī)械的原因。二是熱失控發(fā)生的機(jī)理究竟是什么，從而在材料設(shè)計(jì)層面加以防護(hù)。三是熱蔓延，一旦單體電池防止不了熱失控，就得有二次防護(hù)手段，就是在系統(tǒng)層面要切斷熱失控的蔓延，只要切斷蔓延就可以防止事故。我們對(duì)高比能量電池的熱失控控制，不僅靠材料本身，還要從系統(tǒng)層面來進(jìn)行。

首先是關(guān)于熱失控的發(fā)生機(jī)理與抑制。我們從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)手段上開展，一個(gè)是從事材料熱穩(wěn)定性研究的差示掃描量熱儀，一個(gè)是電池單體熱失控測(cè)量的加速量熱儀。

高比能量電池?zé)崾Э氐膸讉€(gè)特征溫度。一般來說，當(dāng)電池溫度升高到一定程度，電池就會(huì)自產(chǎn)熱，我們把這個(gè)溫度叫T1，產(chǎn)熱發(fā)生到一定程度無法抑制，熱失控觸發(fā)，叫T2，最后溫度上升到最高點(diǎn)我們叫T3。熱失控機(jī)理不清楚的主要是發(fā)生在T2到T3階段。一般認(rèn)為是內(nèi)短路造成的，對(duì)常規(guī)電池的確是這樣，但是我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)對(duì)高比能量不完全是這樣。我們發(fā)現(xiàn)沒有內(nèi)短路，照樣有熱失控。這是因?yàn)楦弑饶芰侩姵氐哪透邷匦滦透裟さ?00度以上沒有變化，電解液基本完全蒸發(fā)了，但在230－250度時(shí)，正極材料相變放出的氧與負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)生了放熱高峰。

另外我們看一下各種不同鎳含量的三元鋰離子電池的差異。811電池跟現(xiàn)在常用的622或者532相比，811的放熱峰明顯的都比其它高很多，表明811的熱穩(wěn)定性較差。經(jīng)過分析我們得到的初步結(jié)論是，高鎳正極對(duì)全電池安全有較大的影響，硅炭負(fù)極對(duì)安全在初期影響不大，但是在循環(huán)衰減后影響比較大。

應(yīng)對(duì)這種熱穩(wěn)定差也有一系列的改進(jìn)途徑，比如說材料的包覆等，我們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的方法，就是用單晶顆粒來替代多晶的正極材料，電池的熱穩(wěn)定性有非常好的改善，相應(yīng)的安全性也有很好的改善。

熱蔓延是電池起火的幫兇

第二就是熱蔓延，真正的事故是熱蔓延導(dǎo)致的，就是一個(gè)電池單體熱失控之后，所有電池包全部蔓延起來，著火事故就發(fā)生了。

根據(jù)我們對(duì)熱失控蔓延過程的測(cè)試和仿真的傳熱分析，設(shè)計(jì)了一種隔熱的方法，就是在主導(dǎo)傳熱的路徑上加隔熱材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)確實(shí)達(dá)到了隔斷熱失控蔓延的效果。這種防火墻技術(shù)已經(jīng)在中國倡導(dǎo)的國際電動(dòng)汽車熱失控蔓延的法規(guī)中得到采納。

熱失控是如何產(chǎn)生的？

第三個(gè)方面，是熱失控的誘因和電池管理。第一個(gè)誘因就是內(nèi)短路，對(duì)在用電池和事故電池的分析發(fā)現(xiàn)，電池制造時(shí)均勻的極片在使用一段時(shí)間之后會(huì)產(chǎn)生折疊區(qū)域的破裂，容易發(fā)生局部的析鋰，從而導(dǎo)致熱失控。另外就是制造過程中的雜質(zhì)也會(huì)引起內(nèi)部的短路，我們把這個(gè)叫電池的癌癥，因?yàn)椴恢浪裁磿r(shí)候誘發(fā)熱失控，有時(shí)候往往會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間之后產(chǎn)生內(nèi)短路。為此我們發(fā)明了電池內(nèi)短路的一個(gè)替代實(shí)驗(yàn)方法，通過在一個(gè)特定電池里面植入記憶合金實(shí)現(xiàn)預(yù)期的內(nèi)短路。

我們研究之后把內(nèi)短路分成了四類，其中鋁集流體和負(fù)極相連是最危險(xiǎn)的內(nèi)短路。也是必須要提前預(yù)警的，為此我們做了一系列的研究，并獲得了內(nèi)短路的三階段演變過程。第一階段，只有電壓的下調(diào)，沒有溫度的上升；第二階段才有溫度的上升，第三階段才發(fā)生急劇的溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。根據(jù)這個(gè)演變過程，我們爭(zhēng)取在前兩個(gè)階段把內(nèi)短路判別出來，就可以提前15分鐘將可能引發(fā)熱失控的內(nèi)短路預(yù)警出來，這一技術(shù)已經(jīng)與寧德時(shí)代進(jìn)行了合作。

第二個(gè)方面就是充電，我們通過測(cè)試分析搞清了過充熱失控機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，通過熱電耦合模型來預(yù)測(cè)電池過充熱失控的表現(xiàn)。過充事故一般是微過充，比如電池的不一致性導(dǎo)致的，因?yàn)椴灰恢拢潆娺^程中有的地方已經(jīng)充滿了，有的地方還沒有充滿，就會(huì)導(dǎo)致有一些充滿的電池微過充，接著就會(huì)在負(fù)極材料上析鋰，產(chǎn)生鋰枝晶，就是所謂的析鋰，導(dǎo)致安全性變差，導(dǎo)致短路。

為了解決這一問題，我們開發(fā)了基于參比電極的無析鋰快充技術(shù)，把負(fù)極的電位控制在零以上（零以下會(huì)析鋰），這需要增加一個(gè)電極，即三電極。在三電極基礎(chǔ)上，可以基于模型進(jìn)行反饋和觀察，這就是我們的無析鋰快充技術(shù)，這種技術(shù)應(yīng)用之后就沒有析鋰發(fā)生，而且充電速度加快。

第三個(gè)原因是老化。電池老化后的不一致性會(huì)擴(kuò)大，這就是電池循環(huán)次數(shù)的增加不一致性會(huì)變得越來越大的原因，而隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也就很差。另外，低溫環(huán)境下的老化會(huì)嚴(yán)重影響電池的熱穩(wěn)定性，發(fā)生熱失控的自生熱溫度會(huì)降低，這就更容易導(dǎo)致熱失控。

全固態(tài)電池有望解決電池安全難題

通過對(duì)這些問題的分析，我們發(fā)現(xiàn)保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)。目前，在電池管理系統(tǒng)方面，國內(nèi)的產(chǎn)品的功能不足、精度不夠，尤其是安全功能不全，因此需要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華在電池管理系統(tǒng)的積淀比較豐富，已經(jīng)獲得65項(xiàng)專利授權(quán)，這些專利在國內(nèi)外著名公司合作中得到了應(yīng)用，其中部分專利也授權(quán)給了奔馳汽車公司。

那么我們?nèi)绾螐氐捉鉀Q電池安全性問題？近期可以通過一些技術(shù)來保障安全性，但是長(zhǎng)遠(yuǎn)看，要保障電池的絕對(duì)安全就需要前瞻性的科學(xué)研究。鋰離子動(dòng)力電池高比能是全世界范圍的發(fā)展方向和趨勢(shì)，我們不能因?yàn)橛邪踩珕栴}就不發(fā)展高比能量電池，關(guān)鍵是把握高比能量與安全性之間的平衡點(diǎn)。比如高鎳三元鋰離子動(dòng)力電池的本征安全問題，其機(jī)理是正極會(huì)釋放氧，我們可以通過界面的修飾來延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性；再一個(gè)就是開發(fā)下一代的固態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決電解液燃燒的問題。

基于各國動(dòng)力電池技術(shù)路線的比較，短期是液態(tài)電解液的鋰離子電池，下一步將會(huì)向固態(tài)電池方向發(fā)展。綜合考慮電池成本和動(dòng)力電池的發(fā)展方向，我們建議我國也應(yīng)該走類似的路徑，即短期是液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負(fù)極，通過電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來防止安全事故發(fā)生，這類電池能夠滿足電動(dòng)汽車500公里續(xù)駛里程的要求。中長(zhǎng)期，從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池，估計(jì)在2030年全固態(tài)電池將會(huì)得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

總之，我們要力爭(zhēng)解決動(dòng)力電池本征安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。對(duì)我的報(bào)告的總結(jié)，可以歸納為：我們要正確看待近期新能源汽車起火的事件，其主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題，沒有遵守技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)驗(yàn)證周期偏短等等。

政策方面的建議

第一，原有的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)（2020年單體達(dá)到350瓦時(shí)／公斤，系統(tǒng)260瓦時(shí)／公斤，循環(huán)壽命2000次）是偏高的，從安全角度考慮，我認(rèn)為不宜強(qiáng)行推行。

第二，補(bǔ)貼政策要符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，對(duì)能量密度的提升不宜過快、不宜更改過頻，這是我對(duì)財(cái)政部的建議。

第三，盡快推出電動(dòng)汽車安全年檢規(guī)范。同時(shí)，為了更好處理和分析電動(dòng)汽車事故，最好有電動(dòng)汽車黑匣子，同時(shí)電池包要留有消防安全的接口，目前的電池包封的很死，導(dǎo)致消防滅火的時(shí)候困難重重，這些是對(duì)公安部的建議。

最后，我覺得電池安全是電池技術(shù)革命性突破的第一重點(diǎn)，也是純電動(dòng)汽車性能提升的第一關(guān)鍵，電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展越后期電池安全就越變成一個(gè)瓶頸技術(shù)，比如十分鐘充300公里以上的電的快充技術(shù)，會(huì)對(duì)電池安全帶來挑戰(zhàn)，電壓從300V提高到600V甚至800V，這些都與安全相關(guān)，也是今后純電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。可以說安全是電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線，動(dòng)力電池國家科技研發(fā)要以安全為核心，全面提升現(xiàn)有鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)安全技術(shù)，全力突破新型固態(tài)電池技術(shù)。