歐陽明高演講全收錄，首次發布電池安全分析「全文+PPT」｜全球未來出行大會 2018

雷鋒網新智駕按：「2018全球未來出行高層論壇」在杭州國際博覽中心召開，除主題論壇外，還有2場高層論壇、2場主題峰會、1場閉門會議、15場同期會議等。

本次大會主要是整合全球頂尖智庫、產業資源、核心企業以及政府管理部門等出行相關的產業體系化資源，深入探討汽車與出行產業的未來發展趨勢與創新實踐，從產業政策、戰略路徑、技術與產品創新、法規標準等多維度助推汽車產業升級與發展。

本文來自連續三個五年計劃擔任國家新能源汽車重點科技專項首席專家歐陽明高院士的演講，雷鋒網新智駕對演講內容做了不改變原意的整理、編輯。

今天主要從四個方面分享電動汽車安全性問題。

首先是電動汽車發生事故的統計情況。根據統計，近年來電動汽車自燃起火基本發生在碰撞後，國內電動汽車起火有如下特徵：

• 一半以上為三元電池，少數為磷酸鐵鋰電池；

• 以圓柱形電池為主，此類型電池鋼殼包裹，一旦發生熱失控，就會引發爆炸，並引燃其他電池；

• 充電失火的事故佔比較大；

一般情況下，熱失控大都發生在滿電狀態下，因為充電時，電池與充電系統連接在一起，熱失控最易發生，再加上高壓電器的短路問題等，就會引起事故。

• 新舊車型都有，系統能量密度不高。

新舊車型都有發生事故的可能，這些事故車輛主要是前幾年生產，總體來看，電池系統比能量不是很高。

大量研究表明，新能源汽車發生起火事故的主因是電池熱失控。電池熱失控的機理是電池達到一定溫度時，引發連鎖放熱負反應，導致溫度快速上升，最高速度可達到每秒鐘溫升接近1千度。

據悉，引起電池過熱的原因很多，例如電池包本身溫度不均勻、局部區域溫度高、過充放、內外短路以及密封性差或機械碰撞等原因。

新能源汽車起火，主要是產品質量問題，並不是技術路線問題。

產品質量問題是指產品在設計、製造、驗證、使用過程中沒有嚴格遵守相關技術標準和規範。分為如下三類：

1、電池產品測試驗證不足

由於補貼退坡政策周期是一年一次，與產品的開發周期匹配度不足。具體來看，化學材料體系的改進需一年以上，但企業沿著補貼政策方向走，盲目追求高比能量，縮短測試驗證時間，甚至為了縮短開發周期選擇物理改進方法，例如把電池活性材料增厚，隔膜減薄，造成電池比能量上升的假象，實際上安全性能嚴重下降。

電池測試驗證手段不完善，無法反映實車的使用條件，很大一部分企業並沒有建立公司內部的電池安全測試標準，甚至部分企業沒有電池安全測試的能力，以致於生產出的電池質量參差不齊。

2、車輛使用過程中可靠性惡化

車輛使用過程中可靠性降低，全生命周期中防水效果不佳。通常電池的密封性要通過IP67標準，但車輛長時間使用後，密封性變差，車輛進水，造成短路。另一方面，電池激光焊接的接頭內部易出現空隙，導致阻抗增加，進而發熱產生高溫點，最終引起熱失控。還包括電池系統和充電機高壓電器老化，充電時接觸器經常開斷，造成接觸器表面高溫燒損或者粘連。

3、充電安全管理技術水平低下

充電過程中數據通訊不規範，BMS的廠商和充電機的廠商未嚴格執行新頒布GB/T 27930-2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》國家標準，不嚴格執行充電安全的相關標準。具體包括，直流充電未採用專用網路，與整車匯流排共用，導致充電網路充斥大量無關數據，負載率高；BMS充電管理未按照功能安全要求進行設計，在電壓、電流檢測失效情況下，無法有效避免過充；充電機未與BMS建立有效的充電配合與功能校驗，在BMS失效情況下，無法及時停止充電等。

高比能量電池面臨更嚴峻的安全技術挑戰。根據中國新能源汽車動力電池比能量發展趨勢，預計不久會向300瓦時/公斤的高比能量電池邁進，高鎳三元811電池將很快進入市場。

高比能量電池比原來相對低比能量電池所面臨的安全技術要求更高。針對此情況，清華大學專門建立了電池安全實驗室開展相關的基礎研究和技術開發，與國內外企業和研究機構開展了廣泛合作，包括寶馬、賓士、日產等公司，主要研究如下三方面：

• 熱失控的誘因，包括熱、電、機械等原因；

• 發生熱失控的機理是什麼，如何在材料設計層面加以防護；

• 熱蔓延，一旦單體電池無法防止熱失控，需配備二次防護，在系統層面切斷熱失控。

截至目前，電池安全實驗室已經取得了如下研發成果。

在電池熱失控發生機理與抑制方面，採取了兩種試驗方法，一是從材料熱穩定性研究差示掃描量熱儀，另一個是電池單體熱失控測量的加速量熱儀。

1、建立各種類型動力電池特徵溫度資料庫

根據上圖實驗曲線，提出了高比能量電池熱失控時三種特徵溫度的定義。當電池溫度升到一定程度，電池自產熱，此溫度為T1；產熱到無法抑制，熱失控觸發，此溫度為T2；最後溫度上升到最高點為T3。

高比能量單體動力電池熱失控主要在T2-T3階段，發生機理不清，通常認為該現象是內短路造成的。但經研究發現，即使沒有內短路，熱失控還會發生。原因是高比能量電池的耐高溫新型隔膜到200度以上無變化，電解液基本蒸發完全，而在230-250度時，正極材料相變放出的氧與負極反應產生了放熱高峰。

通過對比各種不同鎳含量的三元鋰離子電池差異性，可以得出如下初步結論：

• 高鎳正極對全電池的安全性有決定性影響；

• 硅炭負極在電池初期階段對其安全性的影響不大，但在循環衰減後影響比較大；

• 陶瓷塗覆的隔膜對全電池的安全性有積極作用，熱穩定性更高隔膜的效果需要在全電池中驗證。

2、熱失控蔓延與熱管理

真正的事故都是熱蔓延導致的，當一個電池單體熱失控後，剩餘電池包就開始蔓延，最終引發著火事故。

根據對熱失控蔓延過程的測試和模擬分析，電池實驗室設計出一種隔熱方法，在主導傳熱的路徑上加隔熱材料作為防火牆，就能達到隔斷熱失控蔓延的效果。

1、內短路

通過分析在用電池和事故電池，發現製造時均勻的極片在使用一段時間後，會造成摺疊區域的破裂，從而導致局部析鋰，引起熱失控。

此外，電池製造過程中的雜質也會引起內部短路。對此電池實驗室發明了電池內短路替代實驗方法，通過在特定電池裡面植入記憶合金實現預期的內短路。

根據研究，內短路可以分為四類，其中鋁集流體和負極相連危險性最高，須提前預警。此外，內短路的演變過程可以分為三個階段，第一階段，只有電壓下調，無溫度上升；第二階段有溫度上升；第三階段發生溫度上升現象，也就是熱失控。針對此演變過程，爭取在前兩個階段識別出內短路，並提前15分鐘預警熱失控。該技術已經與寧德時代取得了合作。

2、充電

通過對電池過充熱失控進行機理分析和模擬預測，發現過充事故一般發生在微過充時，例如電池的不一致性，有些地方未充滿，有的地方已充滿，導致電池安全性變差。

為了解決此問題，電池安全實驗室開發了基於參比電極的無析鋰快充技術，把負極的電位控制在零以上（零以下會析鋰），再增加一個三電極，就可實現無析鋰快充技術。該技術應用後沒有發生析鋰現象，而且能夠加快充電速度，此外在三電基礎上，還可以基於模型進行反饋和觀測。

3、老化

電池老化造成不一致性進一步擴大，隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也會變差。另外，低溫環境下的老化會嚴重影響電池的熱穩定性，最終導致熱失控。

分析上述問題得出，保障電池系統安全性的核心是研發先進的電池管理系統。

目前，電池管理系統方面，國內產品功能不足、精度不夠、安全功能不全，因此需要加大電池管理系統的研發力度。清華大學在電池管理系統的經驗比較豐富，已獲得65項專利授權，並與國內外公司合作中得到了應用，其中部分專利授權給了賓士汽車公司。

如何徹底解決電池安全性問題是重中之重。

從近期看，可通過一些技術保障電池安全性。從長遠出發，保障電池的絕對安全還需具備前瞻性的科學研究。

目前世界範圍內的發展關鍵趨勢是鋰離子動力電池高比能量化，因此不能因為安全問題就不發展高比能量電池，關鍵是要把握高比能量與安全性之間的平衡點。例如，高鎳三元鋰離子動力電池的本徵安全機理是正極釋放氧，因此可以通過界面修飾延緩正極釋氧，提高穩定性。此外，開發新一代固態電解質，才能從根本上解決電解液燃燒問題。

對比各國動力電池技術路線圖來看，短期發展是液態電解液的鋰離子電池，未來會向固態電池方向發展。

綜合考慮電池成本和動力電池的發展方向，建議中國也應該走類似路徑，即短期考慮液態電解質，發展高鎳三元正極和硅炭負極，通過電池管理系統和熱蔓延的抑制來防止安全事故發生，此類電池能夠滿足電動汽車500公里續駛里程的要求。長遠戰略要從液態電解質逐步過渡到全固態電池，預計2030年全固態電池將得到產業化應用。

近期新能源汽車起火的主要原因是產品質量問題，部分企業沒有遵守技術規範，或是技術驗證周期偏短等。

總之，大家要力爭解決動力電池本徵安全問題，保障新能源汽車行業的健康發展。在政策方面的建議如下：

• 原有的產業化目標偏高，2020年單體達到350瓦時/公斤，系統260瓦時/公斤，循環壽命2000次，從安全形度出發，不宜強行推行；

• 補貼政策要符合技術發展的規律，對能量密度的提升不宜過快過頻；

• 儘快推出電動汽車安全年檢規範，以及電動汽車黑匣子，電池包消防安全介面等規範。

最後總結，電池安全技術是電池技術革命性突破的第一重點，是純電動汽車性能升級的第一關鍵，也是電動汽車可持續發展的生命線。研發動力電池要以安全為核心，全力提升現有鋰離子電池系統安全技術，同時突破新型固態電池技術。

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