三元動力電池安全問題暫時無法解決 ?看看專家怎么說
光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊
發(fā)布日期:2018-11-12
核心提示:
過去兩年來,三元動力電池因其高能量密度、行駛里程遠等特性,在動力電池江湖中傲視群雄,市場份額節(jié)節(jié)攀升。
過去兩年來,三元動力電池因其高能量密度、行駛里程遠等特性,在動力電池江湖中傲視群雄,市場份額節(jié)節(jié)攀升。
今年前9個月,我國三元鋰電池累計實現(xiàn)裝機16.9GWh,在累計總裝機量中的比重已經(jīng)過半,提升到了58.54%。
但是兩個月前,中國工程院院士楊裕生發(fā)表了一篇署名文章,旗幟鮮明的反對大力發(fā)展三元動力電池,應重視磷酸鐵鋰電池發(fā)展。
此文一出,引發(fā)了三元動力電池相關廠商的猛烈回擊。對于這些回擊,楊裕生表示,歡迎業(yè)內(nèi)進行廣泛討論。
因在我國核相關方面的突出成就,1995年5月,楊裕生當選為中國工程院院士。1998年,他開始研究電池,從1998年至今一直從事高能密度二次電池、超級電容器等研究開發(fā),是中國高能二次電池-鋰硫電池的開拓者。
11月8日,作為電池領域的權威專家,楊裕生院士接受了能見的專訪,就三元電池安全問題,以及電動汽車發(fā)展路線與下一代動力電池進行了詳細解答。
三元動力電池安全問題暫時無法解決
能見:楊院士,您上次撰寫的文章影響非常大,當然許多三元電池相關廠商也進行了回應,他們中一部分人可能認為您的觀點并不科學,您如何看待他們的回應?
楊裕生:首先看一個現(xiàn)象,特斯拉采用的是三元電池,但是去年年底已經(jīng)燒了十幾輛車,他可以叫“燒車的冠軍”,今年特斯拉又燒了4輛車,就在5月份燒了2輛車,燒死了3個人、燒傷了1個人。今年,我們國家已經(jīng)燒了38輛車,90%以上是乘用車,主要采用的是三元電池。當然這個統(tǒng)計數(shù)據(jù)并不太準確,但是總體可以反映一個情況。
三元鋰離子電池一旦著火,火勢蔓延太猛,來不及逃生。實際上,三元鋰離子電池針刺實驗過不了關,以前國家標準里面是要求必須進行針刺實驗檢測的,但是現(xiàn)在已經(jīng)把這個實驗檢測放在一邊了,而且允許乘用車上敞開使用。
現(xiàn)在已經(jīng)形成了以提高比能量為首要指標的“慣性思維”。所以鎳鈷錳比例從333、523、622到811,危險性不斷的在增加。三元電池現(xiàn)在采取許多措施來提高安全性,成組之后它的能量比并不是很高,比如三元電池現(xiàn)在成組能夠到160Wh/kg的多一點,而磷酸鐵鋰電池現(xiàn)在有的公司也已經(jīng)做到150Wh/kg,單體做到180Wh/kg。
能見:質(zhì)疑您的觀點中,有這樣一種聲音,您說三元電池有危險性,出現(xiàn)車輛自燃現(xiàn)象,但是也有磷酸鐵鋰電池也發(fā)生過燃燒,您如何看待這個觀點?
楊裕生:這是本末倒置,磷酸鐵鋰電池比三元電池安全,是從技術層面來看是這樣,但是并不代表磷酸鐵鋰絕對的安全,也不代表所有的廠家生產(chǎn)出來的質(zhì)量都非常好。從工藝層面上看,有的磷酸鐵鋰動力電池制造企業(yè)可能不過關,可能也會導致安全問題。
從過去發(fā)生燃燒的電動汽車案例來,三元電池的占比是最大的。在同樣的條件下,三元電池要比磷酸鐵鋰電池危險的多。
能見:三元電池安全性差的技術原理是什么?
楊裕生:電池組像汽油箱那樣,是一種含高能物質(zhì)的部件。鋰離子電池中的電解液是用有機溶劑配制而成,其易燃的程度不亞于汽油。正極的氧化劑和負極的還原劑只隔一層微米級厚的隔膜,內(nèi)短路則生熱;充放電時,電池內(nèi)阻也生熱。在達到一定溫度時,正極上的氧化劑可與電解液發(fā)生化學反應。大量的化學反應熱會造成熱失控,產(chǎn)生大量氣體,導致氣壓升高、電池破裂,繼而出現(xiàn)車輛燃燒、爆炸情況。
正極的氧化劑不同,電池發(fā)生熱失控的溫度也不同。使用熱失控溫度越低的正極材料,電池的安全性越差。特斯拉用的三元鋰離子電池,熱失控溫度不足200℃,尤其是三元材料在達到一定溫度時還會分解釋放出極活潑的初生態(tài)氧,即使在沒有外界氧氣供應的情況下,這種電池內(nèi)部就“完整地具備”燃燒三要素。試想,其安全性能高嗎?這也是三元鋰離子電池起火后,火勢蔓延迅速且難以撲滅的原因。
相比之下,磷酸鐵鋰分子里的氧被牢固地束縛在磷酸根中,很難成為助燃劑,磷酸鐵鋰電池的熱失控溫度要高得多,其安全性高得多。
能見:您覺得三元電池安全性差,是從理論上來說根本就無法解決,還是因為目前工藝問題無法解決?
楊裕生:從理論上來說,三元安全性問題是非常難以解決的,起碼目前業(yè)內(nèi)水平是無法達到的,想解決三元電池的安全問題,難度是非常大的。
補貼一旦取消,三元電池將受到巨大沖擊
能見:既然明知安全問題無法解決,為什么還要大力發(fā)展三元電池,而且近兩年三元電池市場份額提升的非??欤?/div>
楊裕生:主要是利益機制,國家的補貼機制鼓勵高能量密度,電池廠商為了追逐利益在缺乏科學性的情況下,大力發(fā)展三元電池。
能見:他們不擔心嗎?
楊裕生:我國是沒有汽車召回制度的,即便該批次汽車出現(xiàn)問題,比如動力電池安全性問題,目前也沒有召回制度,缺乏對廠商的制約和監(jiān)管。
能見:最近有些媒體報道,明年新能源汽車補貼整體退坡40%,2020年再退坡40%,直至全部退出。這對動力電池格局會有什么樣的影響?
楊裕生:補貼一旦取消,對于三元電池的影響非常大,既然沒有補貼,汽車廠商肯定愿意采用更為安全的磷酸鐵鋰電池,而不會去采用風險特別大的三元電池。
電容型鋰離子電池才是下一代動力電池
能見:有人說固態(tài)電池、鋁空氣電池等是未來的主流,您如何看?
楊裕生:目前業(yè)內(nèi)開始研發(fā)全固態(tài)鋰離子電池。這是針對鋰離子電池易燃燒、爆炸產(chǎn)生的下一代電池。固態(tài)電解質(zhì)除了自身的電導率之外,最要害的是其與活性物質(zhì)之間的界面電阻隨充放電而增加,這是由于活性物質(zhì)在充放電時必然的體積漲縮而脫離電解質(zhì),也是正極材料掉不可避免的,包括負極材料也有這個問題。界面的穩(wěn)定性是全固態(tài)電池的一個最根本的問題,除非將來能夠做到像橡皮那樣的全固態(tài)電解質(zhì),它是可以有很大的彈性,隨著活性物質(zhì)的變化而來變化。
現(xiàn)在研究者降低了調(diào)門,不叫全固態(tài)了,改成“固態(tài)電池”,實際上是半固態(tài)或準固態(tài),還是要加點液體,包括功率、壽命、成本等都還有許多問題沒有解決,效果如何,拭目以待。
后鋰離子電池,這是日本人提出來的名稱,叫鋰硫電池,又稱下一代動力電池。它的理論比能量高,但是從比能量看也是有片面性的,它安全性低,容易產(chǎn)生鋰枝晶,體積比能量低,放電倍率低,能量轉(zhuǎn)換率低,循環(huán)次數(shù)低,這“五低”問題真正解決之后才能用到車上,還要做很大努力。
下下一代是鋰空氣電池,比能量達到700Wh/kg,行駛里程都可以趕上燃油車了,但是這個事情很微妙,問題更多,很可能是遠水解不了遠渴。也有五個問題,問題比鋰硫問題更大,要成為動力電池更加渺茫。
能見:您覺得未來哪種技術路線可以勝出?
楊裕生:我提出發(fā)展電容型鋰離子電池,我認為這將是下一代動力電池。
電容型鋰離子電池就是在正極材料里面要加活性炭。這樣電池,倍率性能提高,電池壽命延長,低溫性能改善,充放電的電壓小100多毫伏。這個里面沒有加炭的充放電的兩根線的距離比較大,加了炭之后充放電的兩根線的距離就大大縮小。說明了電容在里面起了好的作用?;钚蕴砍袚舜蟛糠蛛娏?,使得電池的車輛啟動和剎車時候免于大電流對磷酸鐵鋰材料的沖擊。
能見:電容型鋰離子電池現(xiàn)在發(fā)展的情況怎樣?
楊裕生:高倍率電池的關鍵在新材料,富鎳材料主要是不長枝晶,高比容量,長壽命,方向是硬炭或硬炭+納米硅,電導率高,中孔率高,密度高,純度高,比表面高,性能比高,相互制約,尋求最佳途徑??讖揭m用于不同直徑陰離子的擴散和建立雙電層電容。目前國內(nèi)有公司已經(jīng)研制成功最低孔徑5nm—100nm任意可控的碳氣凝膠,可滿足尋求最佳孔徑的標準。
增程式電動車已得到國家認可
能見:您如何看待動力電池與電動汽車之間的關系?
楊裕生:只有電池真正的進步,才能推動電動汽車水平的提高,冒進就要吃苦。就是說,電池如果不成熟,實際上是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)的電池,如果把它大量的用在汽車上,就要出問題。
電動汽車的主要矛盾是安全和里程的對立。安全性是矛盾的主要方面,里程是次要方面,不可顛倒。認可事物都要分析它的主要矛盾,矛盾當中主要方面跟次要方面也要分清楚,如果不分清楚,把主要矛盾、次要矛盾搞錯了,最后我們就要走彎路。
主要矛盾反映在電池上,是危險性與比能量的矛盾,電池的危險性制約“電動汽車里程隨心所欲提高”,我這里講的隨心所欲提高是我們現(xiàn)在每年都在提高要求。瞄準了250公里、300公里、400公里,現(xiàn)在還想沖擊500公里,這就是隨心所欲。
能見:您之前一直呼吁的增程式可以解決目前行業(yè)問題嗎?
楊裕生:國家科技部的“三縱”新能源汽車路線最初提出是“純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車”,后來混合動力汽車就改成了插電式電動汽車,后來插電式電動汽車又改成增程式電動汽車,這個變化前后大概10年的時間。今年1月,新的“三縱”中,增程式代替了“插電式”。
10年來我的主張是,要用安全成熟的電池發(fā)展節(jié)能減排的電動汽車,技術路線有兩條,一是微小型純電動車作為突破口,第二是,大眾型車發(fā)展純電驅(qū)動的增程式。微小型電動車可以用鉛酸電池做低速車,也可以用鋰離子電池做高速車,這個由市場決定。增程式電動車解決了純電動車的五大焦慮。它是市場化最為可行的一個車種。
現(xiàn)在我的主張逐漸被接受了,很不容易,十年了。今年7月,國家發(fā)改委在《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定(征求意見稿)》當中,把增程式列入到純電動汽車內(nèi)?,F(xiàn)在企業(yè)也在紛紛做小型車或者發(fā)展增程式技術增程器。
能見:增程式技術路線對于動力電池有什么要求?
楊裕生:第一代增程式是純電動汽車上面裝了一個增程器,就是車上發(fā)電在給電池充電。第二代是把電力系統(tǒng)和電池進行了優(yōu)化,所以電動機的功率和電池都減半了,車子減輕了。它的優(yōu)點很突出,電池組不會過充和過放,壽命延長、安全性高,電池少,補貼退坡取消的影響小,易市場化。城市工況下必燃油車節(jié)油50%以上,用戶可以省錢,他可以不充電,免建充電樁,如果有充電條件,節(jié)油率可以在80%以上。燃油車的生產(chǎn)設施、加油設施全部可以繼承,便于發(fā)展。現(xiàn)在我們提出第三代增程式,叫發(fā)電直驅(qū)增程式,就是發(fā)電機發(fā)的電是不經(jīng)過電池組,直接給電動機,這樣更加節(jié)能,電池更少,電池壽命更長。
磷酸鐵鋰比能量已經(jīng)很高,磷酸鐵鋰電池可以有高倍率放電,壽命可以達到萬次,價格在下降,滿足第二代增程式的要求。第三代增程式的電池用量少,為了接受評測時候發(fā)電機的性能,吸納剎車初始時的回饋電能,要求下一代電池應該具有高倍率的充電能力。而我主張的電容型鋰離子電池就可以解決這個問題。
能見:有人說增程式車還是要燒油,不是最終目標,您如何看待這個質(zhì)疑?
楊裕生:如果我們的汽車油耗降到一半以下,年節(jié)油2億噸,環(huán)境改善了,能源安全提高,我國由汽車大國向汽車強國邁向一大步,全國人民都可以高興。純電動車未必是最終目標,裝電池多、重,車子重、耗電多,所以應該考慮全過程的節(jié)能減排,不是在電動汽車行駛過程這么一段的節(jié)能減排問題。
未來的增程式電動車可以不燒油,不增加二氧化碳排放,可以從太陽能來發(fā)電給電動汽車提供能量。同時秸稈、甜高粱這一類有機物產(chǎn)生乙醇,再給乙醇的發(fā)動機發(fā)電提供能量,這樣增程式就全部靠太陽能、風能來發(fā)動。
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