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门外汉购车指南第二集:电车何时才能停止燃烧?

  • 2023-08-04 14:57:00 来源:果壳

“燃起来了”通常是一种兴奋的呐喊,但对于电车车主来说,却是挥之不去的嘀咕忐忑。

8月1日,浙江一辆初代ES8撞上路柱后,瞬间爆炸起火,驾驶员身亡,事故原因正在调查中;7月27日,广东东莞的一起交通事故中,一台特斯拉Model Y和一台奥迪轿车相撞,随后特斯拉失控撞击护栏燃起大火;再往前,蔚来江门换电站起火,有网友爆出起火原因,是蔚来远程监测到用户车上的电池有外力损伤,让送回换电站,在检测原因的过程中,电池着火。


(相关资料图)

光是去年前三个月,有记录的新能源汽车火灾就有640起,比再前一年同期上升32%。

这个大概是很多拒绝拥抱电器化的油车“拥趸”都想象过的恐怖画面,也是最难说服他们的一点——电车的电池安全性。

新能源车自燃丨Business Insider

电池起火爆炸的主要原因,就是它们内部发生了“热失控”,由于冲击、碰撞、高温等各种因素,让电池内部发生热量的快速积累,并引发一系列不可控的连锁反应,最终造成电池燃烧甚至爆炸。这是电动车目前面临的最大安全问题之一。既然买辆新能源有这么大的安全隐患,车企怎么会不想想办法?

01“火烧屁股”了

除了人们本能对于任何新技术的审慎,电车自燃本身也比油车自燃更令人警觉:比如,电车的电池贯穿整个车身,一旦起火就易造成整车燃烧;比如,油车起火的新闻大多伴随交通事故,而电车起火的新闻有时是“静置”状态下的,格外显眼……

常见的“热失控”原因有“外患”和“内忧”两大类。

所谓“外患”是一些外部偶发和极端因素。比如:机械滥用(事故中出现撞击、挤压)、热滥用(过高温度)、电滥用(过充、过放)等。除了交通事故中遭到严重碰撞立即起火,蔚来也公布过一起(2019年ES8)维修时发生的自燃事件,原因是之前底盘受撞,电池包内部结构被挤压后短路着火;国内其他电车厂商也几乎都有类似案例持续被曝出。

“内忧”也有很多方面。目前市面上最常见的锂离子电池,由正极、负极、隔膜和电解液几个主要部分构成。目前商用电池用到的电解液,其溶剂是碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等有机液体,“特性”就是易燃易爆。

锂离子电池也有一些特殊的隐患,比如“析锂”——电池内的锂离子在移动时,在隔绝电池正负极的薄膜上逐渐累积,形成锂枝晶“小毛刺”,这些毛刺可能会刺破薄膜,造成正负极接触短路,从而造成热量快速积累。

锂枝晶丨electronicproducts

因此电池结构的完整性和隔膜的质量是决定电池安全的重要因素,高质量的电池出厂前,除常规加温加压测试之外,还会有一项名为“穿刺”的测试(但并非目前市面通行的强制要求)——拿一个大针头,对着电池身体正中央使劲儿一捅(目的是同时破坏了正负极结构和隔膜的完整性,使得发生短路),看你服不服——不服就“火冒三丈”,服了才能算安全。

既然如此,一个顺理成章的安全改进思路就出现了:如果将有机电解液去掉,换成不可流动、不存在渗漏问题、热稳定性好的固态材料,貌似就能除掉安全隐患;而且固态电解质的力学性能足够强,就有希望抑制锂枝晶的产生和穿透。

传统锂离子电池与固态电池对比示意图丨Eyes, JAPAN Blog

02 “固态电池”:我有我的难处

固态电池理所当然成为电池产业规划的“下一站”,无论从“安全性”,还是“能量密度”来衡量,只是苦于不知如何抵达普及。毕竟1990年,美国橡树岭国家实验室就造出了固态电池,后来就是在技术路线上的不断试错。

目前业界有三种主流的固态电解质材料体系,聚合物(有机电解质)、氧化物和硫化物(后两者属于无机陶瓷电解质),过往三十多年的研究也将各条技术路线上的代表性材料,筛选了出来。

聚合物电解质易加工、机械性能好、比较柔软,是最早推进商业化应用的路线。但它的室温导电率低,需要加热到60摄氏度以上的高温才能使用;且耐高压性差,对正极材料有限制,电池的能量密度提不上去;还有热稳定性比氧化物和硫化物低,安全性问题没被彻底解决。

氧化物对制造工艺要求高,做固态电池孔隙率高,需要高温烧结才能热压致密化,而它本身离子导电率也低。

三者之中,硫化物是室温离子导电率最高的;但缺点是,电化学稳定性差,在潮湿环境下与空气中的水分发生反应,易产生有毒气体——硫化氢。

除了材料选择本身,固态电池结构也是一个有待解决的问题。

普通锂离子电池中,电极材料和液态的电解液能实现充分接触,液体很容易浸润电极材料表面。固态的电极和电解质,从微观层面看,如同两块有棱有角的石头,很难接触充分。这种固体之间的接触压实密度也就直接影响了固态电池的能量密度。

03 3D打印出来的电池,你敢用么?

固态电解质的结构能否被更好优化?研究者想到用3D打印的方式,来探索将电解质打印成不同的复杂结构。

比如,英国牛津大学的研究人员为了改良LAGP(一种氧化物固态电解质)解决其机械强度差,太容易碎的问题,先借助3D打印做出一个三维框架(形似掏空了的魔方),在框架内部,填充上LAGP。随后,用环氧树脂将原来的框架替换掉,利用环氧树脂框架承力。

与之想法类似,美国一家名为Sakuu的公司利用粘结剂喷射成型技术,过程是将所需的电极材料、固态电解质粉末按照特定图案沉积到基体上,然后用液体试剂喷射“固化”它们。Sakuu说能在同一层打印多材料,陶瓷、玻璃、金属、和聚合物,甚至他们自己的一种辅助材料,叫PoraLyte——一种类似聚合物的支撑材料,暂时填补需要预留空隙的地方,在烧结时会被燃烧掉,以此探索各种结构。

总的来说,利用3D打印是想通过创建不同结构,增大与界面的接触面积,传统加工方法很难实现非常细微的的结构制造;可以方便地调控材料的孔隙率;此外,3D打印方法有可能把固态电解质层做薄,从而降低电池的内阻和重量。

Sakuu还曾3D打印出一张形状特殊的电池,特殊在电池上开有两个孔,这种“造型”用“卷对卷”传统的电池制造方法,几乎不可能实现。考虑是否未来能应用于定制电动车电池的形状,优化车辆空间。

Sakuu公司制造的一种特殊形状的固态电池丨Sakuu

听起来还挺有想象力的是吧?但“实验室”和“工厂”总归是两码事,量产是逃不开的话题。

04 三伏“电动爷”,三九“电动爹”

于是电池产业对于固态电池的量产时间预测,一直在往后延期。解决不了批量化的生产工艺和品控问题,固态电池也当不成救世主。产业要在“性能”和“成本”之间平衡,多付出10%的成本能将安全系数从90%提升到99%,而后面的1%,也许要花上10倍的成本和精力。

不少人嘲讽,电动车冬天就变“电动爹”。因为目前液态电池在低温下的性能不够好,低温导致电解液粘稠,致使电池内阻增加,锂电池的负极析理现象会变严重,导致可用容量下降;到了夏天又得担心充电时的潜在风险,不敢充满,只敢充“八分饱“。

液态电池在低温下性能不够好丨electrek

绝大多数新能源车都配备电池管理系统(BMS),控制热量在可控的安全范围。有的车会在仪表盘设置动力电池过热警告,还有设置了可调节的充电档位,辅助科学充电,避免过充情况。但我们仍然期待一种技术路线能彻底守住安全底线问题。

毕竟,你总不能指望靠着“智能交互”来一句:“嗨,NOMI,小P,小艺,哪吒……现在车着火了,我该怎么办?”

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