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化工技术要为锂电池安全问题出把力
发布时间：
2022-03-22
随着双碳相关工作推进以及新能源汽车产销量飙升，锂电池板块火了。不过，电动车、储能电站等较大容量的锂电池应用安全隐患也浮出水面。
2021年12月21日提请审议的全国人大常委会执法检查组关于检查消防法实施情况的报告指出，2021年1～10月全国发生电动自行车及其电池故障共引发1.4万余起火灾，死亡41人、受伤157人。报告指出，电动自行车、新能源汽车、锂电等储能设备火灾爆炸事故呈增长态势。
今年一开年，锂电池再爆险情。1月12日，京港澳高速湖北武汉往湖南长沙方向一辆大货车起火。据悉，该车满载着磷酸铁锂电池模块，从北京出发运往海南，货车在行驶过程中起火。司机发现时火势已迅速蔓延，赶紧靠边停车逃生，并拨打119报警求救。
锂电池的安全性还能让人放心吗?
据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会统计，当前国内电化学储能市场，磷酸铁锂电池占比近90%，是主流技术路线，也是商业化进程最快的技术之一。业内专家表示，相比铅酸、镍氢电池，锂电池环境兼容性强、污染较低、性价比较高，优势突出。而在我国主流的锂电池技术路线中，磷酸铁锂电池以安全稳定性高、循环寿命长、环境污染小、性价比高等优势，成为现阶段国内电化学储能领域大规模储能电站的首选。中国化学与物理电源行业协会储能应用分会秘书长刘勇介绍，磷酸铁锂具有橄榄石结构，铁离子氧化能力不强，晶体中的磷-氧键稳固，在200～400摄氏度之间基本不发生分解，其热稳定性和结构稳定性是目前所有正极材料中最高的。
然而，即便是以高稳定性著称的磷酸铁锂电池也会发生内部短路故障。
湖北亿纬动力有限公司储能销售中心副总裁陈翔表示，从专业的角度来分析，电池内部发生短路的原因有很多。比如，锂电池在制造过程中本身可能有些小瑕疵，会形成短路;在使用过程中出现了撞击、过充或者过放，也可能导致短路。
刘勇也提醒，材料体系稳定不代表电池的绝对安全。磷酸铁锂纳米级颗粒较小，采用碳包覆工艺，粘结剂对纳米颗粒的粘附力较差。因此，在电池制备及充放电循环过程中，存在纳米颗粒脱离造成电池内部微短路的可能性。
江西赣锋锂电科技股份有限公司首席科学家许晓雄补充说，传统的磷酸铁锂电池都是液态电解质电池，电池破损后，有机电解液遇水反应会生成剧毒的氟化氢，燃烧以后还会排放二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等。这些有毒气体的危害可能比起火、爆炸本身更麻烦。
而广州智光储能科技有限公司董事长姜新宇等多位业内人士认为，应该理性看待锂电池的安全性问题。因为燃油车、氢能车、液化天然气车都有起火爆炸风险。电化学储能作为一种基于化学反应原理的技术，很难做到绝对安全，但这不一定影响其安全使用。关键是要将它的不稳定、不可控的安全风险降到足够低，将事故风险控制在人们可接受的范围内。
北方工业大学汽车产业创新研究中心研究员张翔表示，电池包由多个单体电池模块组合而成，每个模块之间由传感器监控。电池包在量产之前要按国家要求做各类实验，如高温、高压、高原等。实验全部通过后，电池包是安全可控的。数据显示，新能源汽车起火、爆炸、自燃的几率低于燃油汽车的1/3。消费者不用过分担心其安全问题。
如何最大程度降低技术的固有安全性隐患、提升锂电池系统的整体安全水平呢?业内专家指出，储能安全是个系统工程。为了解决传统磷酸铁锂电池的安全问题，提升经济性，相关研发机构和企业做了不少技术探索和研究，一些尝试已取得突破。
针对锂电池液态电解质的弊端，一些企业正在尝试用固态电解质技术。在国家工信部公示的《道路机动车辆生产企业及产品公告》(第351批)中，东风汽车申报的一款纯电动轿车搭载了混合固液电解质锂电池。许晓雄介绍，从2022年开始，江西赣锋锂电科技股份有限公司的混合固液电解质锂电池就逐步进入乘用车市场。现在，他们的固态+锂电池技术向多个方向渗透，包括手机电池、两轮车电池、笔记本电脑电池、移动储能电池等领域。许晓雄认为，安全是锂电池产业发展的生命线。动力锂电池的目标是做高能量密度，储能锂电池的目标是做到长循环寿命以降低成本。考虑到这两点，电化学储能领域未来最有前途的技术路线应是固态化技术与磷酸铁锂电池技术嫁接。
还有一些企业从电池结构设计上入手，比如刀片电池、矩阵电池包、弹匣电池等。
传统磷酸铁锂电池结构是一个模块与另一个模块相连。比亚迪股份有限公司把电池设计成了片状、条状，像刀片一样，刀片电池名字由此而来。刀片电池扁平的设计，使得其电极极板层数少，在外界损坏比如针刺以后，触发短路导致的发热量就很少，而扁平的设计又有利于散热，就不会发生温度骤升和冒烟起火事故。同时，刀片电池在电芯方面还有叠片结构加陶瓷涂层技术等高科技的应用。
蜂巢能源科技有限公司通过自主创新，推出短刀片磷酸铁锂电芯和磷酸铁锂矩阵电池包。磷酸铁锂矩阵电池包采用铝型材结构，凭借高强度的外壳设计，能够很好地保护电池包的内部结构。目前磷酸铁锂矩阵电池包已通过振动、机械冲击、碰撞、火烧等国标要求的全部机械性能测试，顺利通过了针刺试验。即使在严重碰撞情况下也可有效保护电芯不受侵入，保证电池包不起火、不爆炸。
广汽集团的弹匣电池是将一个个电芯放置在安全舱中，类似弹匣，中间采用航空级的二氧化硅级耐高温纳米材料，起到阻燃、隔热效果。再就是配置极速降温的三维速冷系统和全时管控第五代电池管理系统，避免了让单电芯的火和高温四处蔓延，必要时还可以对电芯实施极速降温。
除了电池技术本身之外，有专家认为，锂电池储能系统的优化和技术升级也是确保安全性的重要方面，国内企业尚有较大提升空间。中能智慧能源科技(上海)有限公司总经理朱强表示，储能系统里电池最关键，如何用好电池同样关键。在对现有主流锂电池技术路线客观理性认识的基础上，更应该做好系统检测和管控工作。大规模储能电池往往是多个电芯串联或并联，一个电芯出问题，难免会波及相邻电芯，从而引发事故。多位业内人士表示，由于每家储能企业的成本控制能力不同，再加上目前在大规模电化学储能领域，检测和安全标准体系仍不健全，一些储能电池系统的安全性水平仍难准确评估。
许多化工企业注意到，锂电池和储能与化工材料息息相关。提升大规模锂电池储能安全水平，不仅需要新能源行业的努力，更需要相关化工新材料行业的紧密配合。锂电池市场正期待更多化工新材料技术为锂电池安全提升发挥更大作用。
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