电动汽车电池安全性研究新动态

本刊 刘春娜

在我国今年通过的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》和《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》中，都确立了纯电动汽车是未来汽车工业的主要战略发展方向，并明确了未来5～10年的发展目标。在政策的大力支持下，纯电动汽车未来5～10年将迎来一轮发展狂潮。

目前电动车动力电池主要有4种：铅酸电池、氢镍电池、镉镍电池和锂动力电池。前3种电池由于电池寿命短，未来将会逐渐退出历史舞台。锂动力电池虽然性能优势明显，但是因为所用电极材料体系不同，致使其性能又有着千差万别。其中，磷酸铁锂电池具有无可比拟的优越性，其作为动力型电源，必将成为铅酸、氢镍及锰、钴等系列电池最有前景的替代品。国内外车企都看到了磷酸铁锂电池的应用潜力，纷纷将磷酸铁锂电池应用于电动车中。

但是，相对于传统燃料汽车，电动汽车最危险的部分就是电池组，而目前来看，电池组的特点是易燃易爆，这就使得电动汽车的安全性大打折扣。即使是目前使用在电动汽车上最成熟的锂离子电池，理论上讲，也无法做到完全杜绝燃烧。电池组易燃易爆的特性使得电动汽车较为“脆弱”。近来频发的锂电动车充电爆炸起火事件，为以锂电池为主要动力源的纯电动汽车发展蒙上了阴影。国内外电动汽车在碰撞测试中出现燃烧乃至爆炸的案例也屡见不鲜：美国一辆电动汽车，在发生碰撞3周之后，停在车库发生了自燃。调查后认为，其原因有可能是碰撞造成电解液发生轻微渗漏，而当后来渗漏聚集到一定程度时，发生了燃烧。因此，人们在大力发展纯电动汽车的过程中，永远不能忽视电池等环节存在的安全隐患。

为解决电动汽车安全性这一关键问题，一些新方法和新技术已经出现在人们关注的目光中。

1 隔膜技术——提高热稳定性是增强电池安全性的关键

近期发生的一系列锂电池电动车着火事故表明，安全问题已在威胁着电动车锂电池的实用化进程，而隔膜与电池安全有着重要关系。进一步提高隔膜热稳定性是隔膜技术的发展方向，已有许多相应的技术途径，如采用隔膜表面的耐热或阻热涂层、应用新型隔膜材料等，目前国内隔膜的研发单位和企业正朝着这个方向努力。例如深圳比克电池有限公司通过在凝胶聚合物电池隔膜上涂覆聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDFHFP)，使其具有更高的高温存储性能和安全性能；佛山市金辉高科光电材料有限公司则在隔膜表面涂覆耐热材料；也有企业尝试通过涂覆陶瓷材料等提高隔膜的耐高温性能，这些创新技术都显示出了很好的应用前景。另据了解，中科院理化所在完成了静电纺丝法制备纳米纤维锂离子电池隔膜的研究后，目前正在试制高性能隔膜样品。

专家认为，未来市场对锂电安全性的要求将更高，尤其对锂电安全性意义重大的耐高温高品质隔膜将更受关注。

在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一，其采用塑料膜制成，可隔离电池正负极，以防止出现短路。但传统的聚烯烃隔膜用于锂动力电池时在绝缘性、机械强度、耐热性等方面存在缺陷。研究人员表示，传统多层隔膜的高温收缩率大、膜的强度低、安全性能差。未来锂动力电池隔膜的主要研究方向之一就是新型隔膜，包括PET无纺布隔膜、聚酰亚胺（PI） 纳米纤维隔膜、聚酰胺（PA）隔膜，其优点是耐温高，具有低温输出、充电循环寿命长、机械强度适中的特点。在这方面，国外的经验是使用碳纤维等高强度复合材料对电池组加以包裹保护。但是此种做法成本太高，难以在量产民用车型上大规模推广使用。

日本东丽公司开发出了具有全球最高水平耐热性和高阻燃性的薄膜，主要是用于分隔锂电池的正负极以确保绝缘性的隔膜。该产品应用了东丽的独特技术、在全球唯一实现了投产的高耐热聚合物技术。今后将投入生产在电动汽车（EV）、混合动力车（HV）的大型及大容量锂电池上使用的产品。东丽公司以薄膜领域唯一投产的高耐热聚合物技术为基础，运用高分子设计及混合技术，开发出了即使在200℃的高温下，形状、尺寸及孔结构也不会发生改变的多孔薄膜。这种微小的细孔成均匀的网眼状结构，即使在高温下也不会发生变化，因此可确保耐热性和阻燃性，可防止因隔膜变形及收缩而引起的短路，从而确保安全性。

2 负极材料——把握锂离子动力电池安全性命脉

锂离子电池中另一个至关重要的材料就是负极材料，它关系着整个电池的安全性能，目前报道的关于锂离子车用动力电池出现自燃以及爆炸的情况可能都与该材料相联系。由于现有的商品化的锂离子电池负极材料大多都是石墨等嵌锂负极材料，而这种材料很有可能在充放电过程中在碳负极表面析出金属锂，从而与电解液反应产生可燃性气体混合物，这些会给电池特别是运用于电动车上的动力电池产生安全隐患。

在目前具有商业化应用前景的负极材料中，除了石墨负极材料外，钛酸锂最有潜力成为下一代的锂离子电池负极材料。钛酸锂最大的特点为“零应变性”。在充放电循环中，这种特性能够使钛酸锂嵌入和脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，从而能够有效避免锂金属枝晶的析出，给汽车中的动力电池提供了安全保障。这种负极材料被认为是时下最安全的负极材料。

在锂离子电池负极材料中，除石墨化中间相碳微球(MCMB)、无定形碳、硅或锡类占据小部分市场份额外，2011年的负极材料市场统计显示：负极材料的全球总产量应用达到32000吨，相比去年同期增长28%，其中天然石墨和人造石墨负极材料两者占据了89%的市场份额。

近期，日本产业革新机构将与KUREHA、KURARAY、伊藤忠商事共同出资200亿日元，生产新型电动和混合动力汽车用锂电池的主要负极材料。其中，产业革新机构出资100亿日元，占50%股份。KUREHA等公司已开发出将植物材料加工成炭用作负极材料的技术。据称除了可以将插电式混合动力车等环保车的充电时间缩短一半以外，电池耐用性也可以提高3成。首先，将从2014年开始在日本国内进行量产，之后在北美和我国等地建厂生产。预计使用新技术生产的电池将装配在日产和本田的电动车及混合动力车上。除了将生产新型负极材料外，他们还将广泛呼吁在锂电池其他主要材料方面拥有全球较高市场份额的日本材料厂商加盟。其基本构想是要在2017年之前实现各日企汇总技术共同开发基础部件的目标，目前已与部分厂商展开协商。

3 利用电容器防止纯电动汽车发生起火事故

除了锂离子电池外，业界现在对大容量电容器的期待也日益高涨。在电容器中，开发历史较长的是双电层电容器(EDLC)。大容量EDLC受到关注的主要原因在于最近几年频繁发生的各种充电电池起火事故。这些火灾事故虽然少不了锂离子充电电池的设计和制造失误的原因，但BMS(电池管理系统)与确保安全性的关系也相当重大。

通过在控制锂离子充电电池的BMS上组合使用EDLC，可降低电池起火的危险性。纯电动汽车(EV)和混合动力车(HEV)等是需要大电流的，如果单以锂离子充电电池来应对如此急剧的负荷变动，则由于电池的输出变动大，会导致电池容量减小，或充放电循环特性劣化。而采用EDLC可以吸收急剧的负荷变动，能够抑制锂离子充电电池的劣化。由此，可以防止锂离子充电电池起火。

在面向汽车的用途中，在支持快速充电和无线供电的情况下，正好可发挥电容器比锂离子充电电池充放电速度快、充放电循环寿命长的特性。

volvo电动汽车接受严格的安全测试

技术方面，EDLC在几个领域有了改进，具体为：(1)高耐压、低电阻化技术；(2)低露点干燥室/舱技术；(3)高速注液技术；(4)自动复位型安全阀等。例如，在低电阻化技术方面，日本电容器企业的咨询专家提出了电极构造改良方案，具体就是在集电体电极上的导电层和活性物质层之间设置相互扩散层。由此，与原构造的EDLC相比，可将电极电阻降至1/2～1/10。

在电容器领域，在技术开发竞争日益激烈的同时，随着性能的提高，EDLC的应用范围今后将更广泛。

4 开发钠盐电池避免发生起火爆炸

当然，也有公司另辟奇径。美国通用电气(GE)公司就宣布再投入7000万美元扩建位于美国纽约的电池工厂。经过多年研发，GE研发的Durathon钠盐电池技术已经实现商业化。这项新业务有望在几年后为GE带来10亿美元的年收入。为了这种新型电池，GE已经投入重金：一个四五十人的研发团队坚持10年投入其中，其代价相当于一个年收入在1400亿美元以上的AAA级公司的资金和技术支持。

Durathon钠盐电池的原料是极易获得的氯化钠和镍，首次充电以后在负极室形成钠金属，在正极室形成氯化镍，由此不断充放电循环使用，因此也可称为钠氯化镍二次电池或钠镍电池。这种新型电池具有一定优势。例如，同铅酸电池相比，钠镍电池的能量密度是其两倍以上，寿命为10倍左右。如考虑使用寿命，则钠镍电池的成本有望和铅酸电池竞争，全生命周期的经济性则更强。而同锂电池相比，钠盐电池不存在发生起火爆炸的危险。

和日本NGK公司已经商业化生产的钠硫电池一样，钠镍电池也是一种高温电池，运行温度在300℃左右。钠硫电池制造生产时需要在负极室直接填充钠金属，高温下易燃。但据介绍，钠镍电池在制造时不存在钠金属，相对更为安全。而且，氯化镍本身可作为非常好的灭火材料，一旦电池内部短路能将金属钠转化为氯化钠。

电池生产成为电动汽车安全的关键

目前，作为一种高能量密度电池，用于储能和备用电源的Durathon电池已经实现了商业化。GE运输集团下一步将拓展在轨道交通、矿用车辆和船舶领域的混合动力方面的应用。实际上，GE看中钠镍电池的初衷就是用于机车供能。由于北美市场上柴油机车较为普遍，但目前还没有一项电池技术能满足其电气化的需求。因此，2001年前后，GE评估了各种电池，最后选中了钠盐电池，至今已开展了10年的研发工作。

在已有多年研发积累的基础上，作为重点方向，GE在研发电池的同时，也设计了高效的电池制造流程和市场开发战略。这其中，重要的一步是在2007年并购了英国研发公司——Beta R&D。由于该公司积累了大量的电池中试生产经验，此次并购也减轻了GE科学家将产品从实验室推向生产线的压力，加速了产业化进程。

2010年，钠盐电池项目获得GE年度大奖——Whitney技术成就奖，代表着这项技术是GE全球研发中心众多项目中最有前景的方向之一。参与到Durathon钠盐电池技术开发的GE研发中心的科学家们，利用自身电化学方面的优势，通过优化电池结构设计、改进核心部件以及优化电化学反应机制，提供了很多原创性新技术，有效提高了电池的功率密度和安全性能。同时，他们还攻克了很多技术难关，如电池失效机理的分析和预防、电池管理系统的优化设计，以及批量生产的流程优化等等。

目前，尼日利亚已经向GE采购了6000块Durathon电池，明年将用于手机信号发射塔。另外，美国的风电场和配电网也向GE发来订单。GE期望将运用范围从电信扩展到新领域，如新一代高能效汽车、火车机车和矿用车辆等。

专家认为，车用电池现在以锂电池为主，但存在能量密度低、成本高、安全性差等问题，而且锂电池在室外低温条件下很难充电。铅酸、氢镍、镉镍电池等也都存在各自的缺陷。钠盐电池如能够提高功率，则可弥补上述缺点，成为移动终端的理想电源。

目前第一代Durathon电池相对薄弱的环节是功率密度，现在的开发重点就是高功率钠盐电池。从技术储备和成熟度来看，它正在一步步向生产靠近。GE的商业体系不仅限于电池开发，还包括整个系统的解决方案以及从电池衍化出来的其他技术，如电池管理系统、电力电子技术、电池封装技术等。这种新电池成分虽简单，但从设计和科学的角度来看，非常先进。据悉，钠镍电池技术包含了30项专利。