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鋰電池所面臨的安全性困境

2017-06-06

2012年,國務院出臺了《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》,該規劃明確了我國新能源汽車的發展將以鋰離子電池純電動汽車(LIB-EV)為主要方向。最近幾年,鋰離子電池純電動汽車在我國已經成為新能源汽車的絕對主流路線,鋰離子電池已經一統我國電動汽車動力電池市場。


2014年12月,全球第一大汽車公司豐田汽車(Toyota)正式推出了全球首款量產型燃料電池(PEMFC)電動汽車Mirai(FC-EV)。緊跟其后,本田汽車(Honda)也在2015年下半年發布了其新一代燃料電池汽車FCV Clarity。之后,日本日產(Nissan)、韓國現代汽車(Hyundai)、美國通用汽車(GM)、德國寶馬(BMW)和大眾(VW)也都在近兩年陸續發布了各自的燃料電池電動汽車產業化規劃。


我們可以看到,中國與日本(實際上也包括韓國和歐美主流車企)在純電動汽車發展方向上選擇了不同的技術路線。面對Toyota、Honda和Hyundai燃料電池汽車(FC-EV)小批量商業化生產的現實,我們當下首先需要認真思考的是為什么中國和日本在發展純電動汽車方面選擇了不同的技術路線?或者說鋰離子電池和燃料電池到底哪種動力系統更加合適純電動汽車?


從本質上上而言,包括鋰離子電池在內的二次電池是一種能量存儲裝置,通過可逆的電化學反應實現電能的存儲和釋放。而燃料電池(PEMFC)則是一種電能生產裝置,它通過電催化反應將燃料中的化學能轉換成電能釋放出來。雖然燃料電池也叫“電池”(中文翻譯的原因),但是它的基本工作模式卻與內燃機有些相似,跟常規二次電池有著本質上的區別。這兩種電化學電源體系工作方式上的本質不同,將直接決定它們在應用層面上的不同定位。


當前,我國在電動汽車動力源(動力電池)的選擇上基本上是將鋰離子電池作為唯一的選擇,并且國內鋰電界也一直盛行著這“鋰離子電池會取代其它二次電池一統江湖”或者“鋰離子電池應用領域非常廣泛是萬能電池”這樣的奇談怪論。


筆者認為這里有必要澄清一些關于鋰離子電池的基本認識。在筆者看來,鋰離子電池存在兩大挑戰,使其難以成為大中型交通工具的主動力源:安全性的困境和能量密度的瓶頸。


安全性的困境:首先筆者這里要強調的是,從最基本的熱力學角度而言,現有的鋰離子電池體系在熱力學上是不穩定的,它之所以能夠穩定工作是因為正極和負極表面的鈍化膜在動力學上隔絕了高活性的正負極材料與電解液的進一步反應,而由于各種因素引發的熱失控則是破壞正負極表面鈍化膜最直接原因,這個科學問題對客觀認識鋰離子電池的安全性將是至關重要的。


任何一種商品化的二次電池,都需要有效的防過充措施來保證電池達到完全充電態,并且避免不適當的過充帶來的安全性問題。不論是水系的還是有機系的二次電池,其充電安全性都是建立在正極限容(負極容量過剩)這一基本原則之上的。如果這個前提消失,過充的后果就是水系二次電池產氫,對于鋰離子電池而言則是負極析鋰。


但是,各種水系二次電池可以有效地利用水的分解反應從而采用“氧循環”的原理來實現過充保護。雖然水系二次電池由于水的分解電壓而限制了其能量密度的進一步提升,但是不要忘了水也為水系二次電池提供了一個近乎完美并且無可替代的防過充解決方案。而在鋰離子電池中,負極一旦析出高活性金屬鋰,由于金屬鋰無法在電池內部消除而必將產生安全性問題。


所以,從某種意義上而言,鋰離子電池在安全性問題上是無解的!通過一些技術措施的綜合應用,如熱控制技術(PTC 電極)、正負極表面陶瓷涂層、過充保護添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等都可以有效改善鋰電的安全性,但是這些措施都不可能從根本上解決鋰電的安全性問題,因為鋰電在熱力學上就是不穩定體系。


另一方面,這些措施不僅增加了成本,而且也降低了電池的能量密度。限制動力電池單體電芯的容量,仍然是緩解安全性的一個必要措施。筆者這里要強調的是,BMS并不能解決鋰離子動力電池的安全性問題,這是由BMS基本工作原理所決定的。


如果我們綜合考慮上述因素就會明白,鋰電的“安全性”只是相對意義上的。近幾年,國內鋰電界一直彌漫著鋰離子電池將一統江湖而取代其它二次電池的論調,僅僅從安全性的角度而言,這種論調無疑就是荒謬可笑的。

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