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为什么锂电池成了新能源的桎梏?

来源:未知 点击:发表时间:2018-09-10
  众所周知,新能源汽车的的优势就在于相较于以汽油为燃料的车更加低碳环保。它采用的是非常规的车用燃料作为动力来源,如锂电池、氢燃料等。锂电池的应用领域也非常广泛,除了新能源汽车之外,手机、笔记本电脑、平板电脑、移动电源、电动自行车、电动工具等等。
  目前,无论是全球知名的特斯拉亦或者国内知名的主流的新能源汽车使用的都是锂电池。这些新能源汽车厂商使用的锂电池按照正极材料分类又可以分为:磷酸铁锂电池、三元锂电池(包括 NCA 和 NCM)、锰酸锂电池、钴酸锂电池、镍氢电池、钛酸锂电池等。其中,特斯拉、北汽 E200/150、广汽传祺 GA5EV、北京奔驰、华晨宝马 5 系、蔚来汽车等使用的都是三元锂电池。而曾经使用磷酸铁锂电池的比亚迪也在后来转向了三元锂电池阵营。
 
  但是无论是三元锂电池亦或者磷酸铁锂电池,都躲不开易燃易爆的隐患。
 
  锂是世界上最活泼的金属,由于其化学特性太活泼,当锂金属暴露在空气中时会与氧气产生激烈的氧化反应,因此容易产生爆炸、燃烧等现象。此外,锂电池充放电过程中内部也会产生氧化还原反应,爆炸和自燃主要都是因为锂电池发热后所累积起来、来不及扩散和释放所导致的。简单来说就是锂电池在充放电过程中会产生大量的热量,这会导致电池内部温度升高以及单体电池之间的温度不均匀,从而造成电池的新能不稳定。
  今年 8 月,苹果公司位于荷兰阿姆斯特丹的零售商店就因 iPad 电池爆炸并向空气中释放潜在的有害物质,零售店不得不紧急疏散店内的消费者暂时关门。而此前,三星、小米、华为等也都曾被爆出过手机自燃事件。多次事故显示,当人们充电不当、或者环境温度过高等情况下,极容易引发锂电池自燃、爆炸,这也成为使用厂家的一块心病。
 
  为什么一定要锂电池?
 
  电池选择上的局限,很大程度取决于电池自身的发展与商用条件。世界上第一个电池 " 伏特电堆 " 是用锌板和锡板制成的,之后相继出现了锌、铜电池,湿电池、干电池,因不会遗漏、便于携带,干电池在之后很长一段时间内得到了广泛应用,尔后被爱迪生发明的可充电镍铁电池所取代。最终采用钴酸锂作为正极材料,金属锂作为负极材料而制成的锂离子电池成为了市场最后的选择。
  相较于其他电池,锂电池有着明显的优势。它的使用寿命很长,在六年以上,并且电池体积小、能量密度高,可达到 460-600Wh/kg,是铅酸电池的 6 到 7 倍。目前,特斯拉宣布与松下联合研发的 21700 电池系统能量密度就达 300Wh/kg。与此同时,铝电池具备高功率承受力,新能源汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可达到 15-30C 充放电的能力,这便于汽车高强度的启动和加速。锂电池具有高低温适应性很强、绿色环保、生产过程中基本不消耗水等特性。
  而电池的商用方面,因为受到体积重量、能量的储存及释放能力、保存时间、使用寿命、成本、使用便捷度、量产等多项条件限制,能够进行大规模商业化应用的电池不过寥寥。综合这两方面原因,锂电池成为了最佳解决方案。
  虽然锂电池本身的属性决定了其 " 易燃易爆炸 " 的宿命,但并不是完全无法降低风险和安全性的。无论手机企业亦或是新能源汽车公司,通过合理的电池管理系统以及热管理系统,电池就能够保证安全,也不会发生爆炸或者自燃现象。
 
  如何解决?
 
  电池在工作中会释放热量,来不及释放就会自燃、爆炸。因此,可以通过电池热管理系统进行管理。新能源汽车配备的热管理系统是电池管理系统中的一个子系统,该系统能够实现让电池在温度过高的时候对其进行冷却,而温度较低的时候则进行预热,由此更好地发挥电池的性能,特斯拉独有的电池管理系统就是典型的代表。
  特斯拉为其生产的汽车配了数千块钴酸锂电池以提供动能,它应用的 18650 电池寿命能够循环充电 1000 多次,但由于电池单位密度容量大,因此自燃、起火的风险也就更高。而特斯拉就是通过其电池管理系统实现对电池各种物理参数实时监测、评估电池使用状态、并进行在线诊断和预警,同时也能够进行放电与预充控制、电池的均衡管理和热管理等。以其电池热管理为例,通过液体冷却,即 50% 的水 +50% 的乙二醇,来控制电池的温度升高。
  事实上制造商们也早已经意识到锂电池的局限性,燃料电池、石墨烯电池、锂空气电池等都是研发的方向。而燃料电池中氢燃料电池最受关注,氢能源汽车作为新能源汽车的一个分支,也一直在做商用探索。
  2008 年,我国自主研制的基于大众帕萨特车型,通过改制和集成的燃料电池车在同济大学新能源汽车工程中心举行赴京发车仪式,并且在北京奥运会期间投入运营。如今,十年已过,在今年上海召开的 CES Asia 中,现代汽车就展出了新一代氢燃料电池车 NEXO。该款车型的燃料电池系统效率达到 60%,已经是世界前沿的水平。
  与锂电池相比,燃料电池的安全性更好,由于氢气爆炸要求浓度极高,因此在爆炸前往往已经开始燃烧,反而很难爆炸。并且,氢气的密度低于空气的密度,即便起火也是在气源的上方,而不会像锂电池或者汽油,燃料在车舱底部,整个车会迅速报废。此外,燃料电池还拥有发电效率高、环境污染小、噪音低、可靠性高、易于建设电池电站等优点。
  当然,燃料电池的成本高、运输、储存也是其相比于锂电池的不足。
 
  最后
 
  同样使用锂电池的手机、平板等3C数码产品,移动电源、汽车应急启动电源等应急产品,它们都是在自燃、爆炸问题上遇到过一次次的难关,更遑论新能源汽车,它要兼顾的难点更多。新能源汽车是时代驱动的必然,它的大范围应用毋庸置疑,尽管资金、量产等都是新能源汽车迫在眉睫的问题,但任何时候,产品的安全都是首位。

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