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  三元锂电池热稳定性不好为什么还被用在新能源汽车上不怕更不安全吗?           ★★★

三元锂电池热稳定性不好为什么还被用在新能源汽车上不怕更不安全吗?

作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2023/11/20 14:29:14

 

  放在整个锂电池体系中,三元锂与磷酸铁锂都是经历了重重淘汰后的优胜者,是两种都比较安全的电池。只不过,只剩它俩的情况下,人类还是喜欢比个高低,就显得三元锂不那么安全了

  电池安全是一个系统工程,电芯安全性并不代表最终的安全性。详细的论述,见我在2018年写的文章,此处就不再展开了:

  磷酸铁锂电芯的安全性更好,但它的能量密度比较低,特别是体积能量密度比较低(刀片电池有改善)。

  这就意味着,在车上布置足够多的磷酸铁锂电池时,留给模组、电池包层面做安全措施的空间就会缩小。相反,三元锂电芯的能量密度比较高,留给模组、电池包层面做安全措施的空间就比较大。

  用户需要的是不是绝对的性能或绝对的安全,而是性能、安全与成本的合理平衡点。站在2022年,我们处处可以看到性能、安全与成本的平衡。

  例如,磷酸铁锂的能量密度越过了可用的临界点,大规模上车。当一辆电动车NEDC续航只有300公里时,那掐头去尾可能还线公里时,就迈入了实用的范围,这时候性能就不再重要了,安全与成本很重要,所以我们看到了磷酸铁锂电池大量上车。

  再如,当安全风险越过了可以接受的边界时,就需要付出各种代价来削弱风险,人们就会对高性能电池产生疑虑:

  过去几年,当更高能量密度的电池量产后,都是以摧枯拉朽的优势全面替代。例如下图811 电池在2020年的发展趋势[1]:

  而2022年蔚来推出150kWh电池包、高合推出160kWh电池包,虽然这两个品牌的客户消费能力比较强,但预期这两个电池包不会成为主流,至少不可能是以摧枯拉朽的优势全面替代。

  这是因为人们出行需求是有上下限的,如果说NEDC的400公里是一个统计学上的“可用”下限,那800公里就是“够用”上限。低于下限给消费者带来的不便很大,高于上限则收益很小。

  因此,面对这种超高能量密度、超大容量的电池包,就算是富人也需要考虑成本与收益了 —— 如果带来的出行效益增进不明显,成本却很高,那就无法形成全面优势。这也是一种权衡。

  总之,我们不应该孤立地去看三元锂电芯是否安全,而应该从三个角度扩展视野:

  比如说,现代化学知识让我们明白,铅的杀伤力非常大,导致铅中毒对人类身体的影响,不仅除不干净,还会祸及几代人。

  从古代罗马人酿葡萄酒的最后一道工序——给葡萄酒加热往里倒乙酸铅(铅糖),让酒变得甘美可口,到横亘整个古代乃至近代世界爱美之人往脸上扑铅粉以确保肤白貌美,再到近现代人做出了极其有效防止爆震的含铅汽油,简直是与狼共舞。

  话说这其中真的没人怀疑,寿命缩减、智力滑坡、腹痛如绞、精神恍惚、皮肤溃烂乃至脱发落甲直至英年早逝,和铅的关系非常之深嘛?

  其实是有的,中世纪晚期有医生发现,葡萄酒里的铅糖会导致饮用者肚子疼甚至痉挛、休克,于是上奏当地领主请求禁止这种酿制方法,结果被请去喝茶……这可不是轻易一句话就能废除得了的事儿,这可是当时最先进的葡萄酒酿造工业链,没了铅糖,谁还喝呢?

  到了近现代,含铅汽油被作为“治愈”汽车行驶时会爆震的“灵丹妙药”制造出来,里头添加的四乙基铅这玩意儿可以提高汽油辛烷值,从而提高发动机效率;但是,铅不会被燃烧分解,排入大气造成的危害是瞎子都能“闻”出来。

  刨除当年利欲熏心的科学家睁眼说瞎话(为证明无害专门吸了一大口四乙基铅汽油气,然后被并发症间接干掉了)和品牌商砸钱铲事儿,使用含铅汽油长达100年也就一个原因——

  在科学技术尚不昌明、安全产品需要大量技术成本的瓶颈时段,作为利字当头的品牌商,和需要这类商品生活的消费人群,只能“勉为其难”地用有一定安全隐患的现成品了╮(╯▽╰)╭

  不过较之上面滥用铅破坏大气和自身健康的行为,三元锂电池虽然不能良好且完善地控制自身的热稳定性,确有因温度骤升而起火甚至爆炸的嫌疑,但是它身上的优点,还是值得采用的,且它不会造成肉眼范围内可见的污染。

  平心而论,三元锂电池的能量密度之高,是更安全的磷酸铁锂电池所不能及的,加之其虽不能在温度高的环境中实现有效热控制(这个往下会掰开说),但能在常规环境中实现对低温环境的控制,并保持良好的活性;而在同等条件下,超过零下10-20°C,磷酸铁锂电池的活性就会成比例下跌。

  同时,三元锂电池材料的结构中,二维的锂离子脱嵌通道与电解液均衡设计,使得在充放电过程中,锂离子可以在一张面上快速移动脱嵌,使得充放电效果要优于磷酸铁锂电池,在同等的条件和空间下,赋予新能源车以更高续航里程,这是消费者最乐于看到的(。・ω・。)

  从电池材料来看,三元锂材料的燃点在300°C上下,而磷酸铁锂的燃点峰值接近之,但是电池材料整体燃烧却要等到500-600°C;三元锂材料的低燃点令之难以有效地控制电池安全性。

  不过,在我国严格的电池管理法之下,三元锂电池的制作工艺被强势限定为“发热冒烟后至少给乘客和司机留出5分钟逃生时间”的形式,对电池包的隔热材料、模组(电池包内的基本组成单元)绝热效果的研究也是一天都没闲着。

  目前在此研究方向上较为尖端且实在的厂家已经达成了较为有效的三元锂电池热控制效果。

  虽然我们目前的技术成果还是没得选替代品,但我们至少有办法不断改进安全保护手段,以及磷酸铁锂电池可以互补。

  而且两款电池也不至于杀得你死我活,三元锂电池在寒冷化地带好使,磷酸铁锂电池在高温或气温易骤升地带好使,分着来看,就是一种差异化而已。

  三元锂电池热稳定性不算最好的,但是它也有很多其他优点,我们可以充分利用技术手段去发挥它的优点,抑制他的缺点。

  新能源汽车的续航问题一直是其核心竞争力之一,几乎所有的消费者到店里的第一句话就会问“这车能跑多少公里?”所以,尽可能的让新能源汽车有更高的续航,成为了各个厂家所关注的问题。

  有的小伙伴要说了,续航这玩意简单啊,多堆几块电池就行了啊。其实并不是这样,堆电池并不是解决新能源汽车续航问题的方法,主要原因有两个:一是汽车的空间是有限的,其实是无法供车辆无限制的堆叠电池,比如新能源汽车的电池一般都分布在底部,如果电池堆的太多,就会严重影响乘员仓的空间。二是电池堆的多了,车重也在增加,电量的增加被重量的增加所抵消了,这种堆叠就没有意义了。

  所以,这个时候就提出一个概念叫做“能量密度”,就是在同样的空间和质量里,能够容纳更多的电量,在这个情况下,三元锂电池的能量密度就显著的高于磷酸铁锂电池,由于采用了更活泼的金属元素,主流的三元锂电池能量密度普遍在(140wh/kg~160 wh/kg),部分重量能量密度能够达到180Wh-240Wh/kg。而磷酸铁锂电池的能量密度为一般为90-110 W/kg;部分创新设计的刀片电池,能量密度可达120W/kg-140W/kg。

  由此可见,三元锂可以有更好的能量密度,也就是说可以在同等的空间和质量下,给新能源汽车带来更长的续航,提升车辆的核心竞争力。

  由于汽车活动的半径比较大,在低温情况下,动力电池实际上容易受到低温的影响,比如通过下面的表格我们可以很清楚的看出,三元锂在低温情况下的表现比较好,充电功率和性能表现都比磷酸铁锂好不少,这个低温的阈值大约在-10°左右,也就是低于这个温度的情况下,磷酸铁锂的充电效率和性能表现将会有一定的下降。

  低温情况下的充电效率问题对消费者的用车体验实际上也有很大的影响,比如在寒冷地区的充电时候,如果是磷酸铁锂电池,就很可能需要一段较长的时间来加热电池,才能达到一个比较高的充电效率, 这就会造成消费者充电时间延长,举个例子,一辆三元锂和磷酸铁锂的车子一起到了充电站,结果三元锂都充好走了,磷酸铁锂的车才充了一半,此时求磷酸铁锂车主的心里阴影面积?

  问题中说到的“三元锂电池热稳定性不好”,其实主要是说三元材料的燃点低于磷酸铁锂电池,在部分极端情况下容易发生自燃的情况。

  从动力电池的本身来说,现在市场上主要就是三元锂电和磷酸铁锂两种,作为动力电池的核心材料,也是电芯最主要的部分,这两种的燃点有着明显的不同。

  磷酸铁锂是目前热稳定性最好的动力电池材料(注意,材料和动力电池整体还是不同的),在安全性上相较于三元锂材料有着绝对的优势。磷酸铁锂的电热峰值可达350℃,电池内部的化学成分需要达到500~600℃才会开始分解;而三元锂材料在300℃左右就会开始分解。

  新能源汽车的热稳定性不仅仅取决于电芯材料这一个点,虽然三元锂的热稳定性不如铁锂,但是我们可以通过一些技术手段来加强电池的稳定性。

  在这里,我们必须引入动力电池包的概念了。新能源汽车的动力电池,实际上是一个动力电池包的状况。首先,最内层是电芯,就是三元锂或磷酸铁锂材料做的电芯,很多电芯在一起就组成了模组,一般来说,模组是动力电池的基本单元,这就相当于电池的肉体。

  然后,我们把若干个模组放在一起就构成了动力电池的主体部分,然后我们用上下底板把模组固定住,并在模组内部设置动力电池热管理系统,热管理系统包括温度传感器和液冷管道,还有相关的管理控制器。这个就相当于给电池穿了一件内衣。

  最后,上下底板之外,再安装上下外壳,这些上下壳体都会采用专门的设计,减小重量的同时保证电池包高强度及刚度,并保证一定的密封性。这就等于给电池穿了一件外衣。

  通过上面的说明,我们可以看见,除了电池材料本身之外,实际上动力电池的整体体验和其他设计还存在有巨大的关系,实质上我们应该判断其整体的能力。

  举个不是很恰当的例子,比如人和黑熊相比,肯定是黑熊更加强壮,但是如果坐在坦克里的人,一定可以打赢一头黑熊。这就是因为坦克给了人一个整体的防护能力,我们在判断安全性的时候,应该结合这个整体一起来判断。

  所以,我们通过一定的技术手段,是可以充分发挥三元锂电池的优势,而将其劣势控制到最低,让三元锂电池成为新能源汽车重要的材料来源之一。

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  三元锂电池有一个特点,对温度较为敏感。当温度过高时,会出现热失控的现象,从而引发安全事故。电池热失控,可能导致电动汽车着火。

  但是,事物总要两面看。存在短板,也不能一票否决,补齐短板后,或许可以拨云见日。

  三元锂电池,算是锂离子电池的杰出代表,相比于其他类型的电池,能量密度高、循环性能好、自放电率低、无记忆效应,这才能和电动汽车的动力需求相匹配。

  如果说,潜在的热失控是三元锂电池的“痛”,那就在电池热管理上施点“猛药”。

  811三元锂电池,说的是镍钴锰配比为8:1:1。和622、523电池相比,镍的含量比较高,可以提升能量密度,而钴的含量降低,也可以降低成本。但是,镍的活性比较高,正极材料的热稳定性也会降低,也就更容易热失控。

  这并不是说,811三元锂电池就应该“谈之色变”,但对热管理系统提出了更高的要求。

  在正常使用情况下,锂离子电池内部进行化学变化,一定会产生热量。热失控,是因为内部生热高于散热,短时间内积攒大量的热,从而发生起火、爆炸等剧烈反应。

  上文提到的“电池热管理系统”,简单说,就是负责监测电池温度变化,并且借助导热介质,完成温度控制。再通俗点讲,相当于给电池装一个“空调系统”。

  电池的导热介质主要有空气、液体与相变材料这三大类。从成本和效率考虑,液体是比较主流的导热介质,与外部环境进行温度交换,达到给电池降温的效果。

  比如,埃安的“弹匣电池”采用全贴合液冷集成系统,优化了散热通道和导热路径设计,散热面积可提升40%,散热效率提高30%。

  长城的蜂窝电池电芯按照六边形排列,电芯之间注满导热胶,可以保证电芯的散热速度。导热胶与电芯100%接触将加快电芯的散热速度。电芯的电化学反应不可避免带来热量散发,导热胶快速把热量传递出来,确保电池包内部的温差≤3℃。

  在电动汽车的碰撞危险中,动力电池受到撞击和挤压,引起变形,电芯就有可能发生热失控;电池包内其他部件被撞击,或者高压线缆破裂,也有可能发生短路,造成电池爆炸。

  解决这一问题的关键在于,如何控制碰撞造成的电池结构变形。说白了,就是要让电池更硬,或者设计缓冲结构,总之就是得耐挤压、耐穿刺。

  由专属纯电平台打造的汽车,更好一些。因为油改电的平台,电池置于后备箱,在追尾事故中更容易遭受撞击。而将电池置于底盘,不仅可以加强底盘的碰撞结构,而且也能减少电池的一些碰撞概率。

  一旦发生碰撞,动力电池的保护系统也要能够迅速切断高压电。这个响应时间越短,对电池的保护越有利,更能避免因短路造成的电池起火爆炸。

  其实,目前还没有非常完美的电池。如今动力电池可以装载上车,那是因为一些天生的短板被补齐了。

  题主需要搞清楚一点,三元锂这个材料本身热稳定性不好不代表用三元锂的电动车安全性不好,反而靠谱电池供应商+靠谱车企的新能源汽车上的三元锂电池安全性能是非常高的。

  因为中国的电池安全标准可以说是全球最严苛的标准之一,细节你可以去看GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,因为这是强制执行的国标,所以市面上任何一款在售电动车的电池都是符合上述标准的。所以正常使用无需担心新能源汽车的安全问题。

  第一是电池不靠谱,虽然送检参加国标测试的样本是合格的,但是生产一致性控制地不好,搞出了一些残次品,自家地质检也没查出问题就装上车了。

  第二是车企不靠谱,电池本身虽然是合格的,但是整车层面的电池安全没有做好,比如防撞结构强度设计不合理,充电系统设计不合理,整车线束设计不合理等问题导致了自燃。

  第三是天灾人祸不可抗力,比如被大卡车追尾,路上有石头磕到底盘划伤电池之类的。

  总而言之从概率上来讲三元锂电池用在车上并没有什么安全性问题,买靠谱车企+靠谱供应商的产品大可以放心使用。

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