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锂离子电池所面临的安全性困境
发表于:2017-08-17 14:52 分享至:
  
 
  2012年,国务院出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,该规划明确了我国新能源汽车的发展将以锂离子电池纯电动汽车(LIB-EV)为主要方向。最近几年,锂离子电池纯电动汽车在我国已经成为新能源汽车的绝对主流路线,锂离子电池已经一统我国电动汽车动力电池市场。
 
  2014年12月,全球第一大汽车公司丰田汽车(Toyota)正式推出了全球首款量产型燃料电池(PEMFC)电动汽车Mirai(FC-EV)。紧跟其后,本田汽车(Honda)也在2015年下半年发布了其新一代燃料电池汽车FCV Clarity。之后,日本日产(Nissan)、韩国现代汽车(Hyundai)、美国通用汽车(GM)、德国宝马(BMW)和大众(VW)也都在近两年陆续发布了各自的燃料电池电动汽车产业化规划。
 
  我们可以看到,中国与日本(实际上也包括韩国和欧美主流车企)在纯电动汽车发展方向上选择了不同的技术路线。面对Toyota、Honda和Hyundai燃料电池汽车(FC-EV)小批量商业化生产的现实,我们当下首先需要认真思考的是为什么中国和日本在发展纯电动汽车方面选择了不同的技术路线?或者说锂离子电池和燃料电池到底哪种动力系统更加合适纯电动汽车?
 
  从本质上上而言,包括锂离子电池在内的二次电池是一种能量存储装置,通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放。而燃料电池(PEMFC)则是一种电能生产装置,它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来。虽然燃料电池也叫“电池”(中文翻译的原因),但是它的基本工作模式却与内燃机有些相似,跟常规二次电池有着本质上的区别。这两种电化学电源体系工作方式上的本质不同,将直接决定它们在应用层面上的不同定位。
 
  当前,我国在电动汽车动力源(动力电池)的选择上基本上是将锂离子电池作为唯一的选择,并且国内锂电界也一直盛行着这“锂离子电池会取代其它二次电池一统江湖”或者“锂离子电池应用领域非常广泛是万能电池”这样的奇谈怪论。
 
  笔者认为这里有必要澄清一些关于锂离子电池的基本认识。在笔者看来,锂离子电池存在两大挑战,使其难以成为大中型交通工具的主动力源:安全性的困境和能量密度的瓶颈。
 
  安全性的困境:首先笔者这里要强调的是,从最基本的热力学角度而言,现有的锂离子电池体系在热力学上是不稳定的,它之所以能够稳定工作是因为正极和负极表面的钝化膜在动力学上隔绝了高活性的正负极材料与电解液的进一步反应,而由于各种因素引发的热失控则是破坏正负极表面钝化膜最直接原因,这个科学问题对客观认识锂离子电池的安全性将是至关重要的。
 
  任何一种商品化的二次电池,都需要有效的防过充措施来保证电池达到完全充电态,并且避免不适当的过充带来的安全性问题。不论是水系的还是有机系的二次电池,其充电安全性都是建立在正极限容(负极容量过剩)这一基本原则之上的。如果这个前提消失,过充的后果就是水系二次电池产氢,对于锂离子电池而言则是负极析锂。
 
  但是,各种水系二次电池可以有效地利用水的分解反应从而采用“氧循环”的原理来实现过充保护。虽然水系二次电池由于水的分解电压而限制了其能量密度的进一步提升,但是不要忘了水也为水系二次电池提供了一个近乎完美并且无可替代的防过充解决方案。而在锂离子电池中,负极一旦析出高活性金属锂,由于金属锂无法在电池内部消除而必将产生安全性问题。
 
  所以,从某种意义上而言,锂离子电池在安全性问题上是无解的!通过一些技术措施的综合应用,如热控制技术(PTC 电极)、正负极表面陶瓷涂层、过充保护添加剂、电压敏感隔膜以及阻燃性电解液等都可以有效改善锂电的安全性,但是这些措施都不可能从根本上解决锂电的安全性问题,因为锂电在热力学上就是不稳定体系。
 
  另一方面,这些措施不仅增加了成本,而且也降低了电池的能量密度。限制动力电池单体电芯的容量,仍然是缓解安全性的一个必要措施。笔者这里要强调的是,BMS并不能解决锂离子动力电池的安全性问题,这是由BMS基本工作原理所决定的。
 
  如果我们综合考虑上述因素就会明白,锂电的“安全性”只是相对意义上的。近几年,国内锂电界一直弥漫着锂离子电池将一统江湖而取代其它二次电池的论调,仅仅从安全性的角度而言,这种论调无疑就是荒谬可笑的。