化工技術(shù)要為鋰電池安全問題出把力

　　隨著雙碳相關(guān)工作推進以及新能源汽車產(chǎn)銷量飆升，鋰電池板塊火了。不過，電動車、儲能電站等較大容量的鋰電池應(yīng)用安全隱患也浮出水面。

　　2021年12月21日提請審議的全國人大常委會執(zhí)法檢查組關(guān)于檢查消防法實施情況的報告指出，2021年1～10月全國發(fā)生電動自行車及其電池故障共引發(fā)1.4萬余起火災(zāi)，死亡41人、受傷157人。報告指出，電動自行車、新能源汽車、鋰電等儲能設(shè)備火災(zāi)爆炸事故呈增長態(tài)勢。

　　今年一開年，鋰電池再爆險情。1月12日，京港澳高速湖北武漢往湖南長沙方向一輛大貨車起火。據(jù)悉，該車滿載著磷酸鐵鋰電池模塊，從北京出發(fā)運往海南，貨車在行駛過程中起火。司機發(fā)現(xiàn)時火勢已迅速蔓延，趕緊靠邊停車逃生，并撥打119報警求救。

　　鋰電池的安全性還能讓人放心嗎?

　　據(jù)中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會統(tǒng)計，當前國內(nèi)電化學儲能市場，磷酸鐵鋰電池占比近90%，是主流技術(shù)路線，也是商業(yè)化進程最快的技術(shù)之一。業(yè)內(nèi)專家表示，相比鉛酸、鎳氫電池，鋰電池環(huán)境兼容性強、污染較低、性價比較高，優(yōu)勢突出。而在我國主流的鋰電池技術(shù)路線中，磷酸鐵鋰電池以安全穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小、性價比高等優(yōu)勢，成為現(xiàn)階段國內(nèi)電化學儲能領(lǐng)域大規(guī)模儲能電站的首選。中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會秘書長劉勇介紹，磷酸鐵鋰具有橄欖石結(jié)構(gòu)，鐵離子氧化能力不強，晶體中的磷-氧鍵穩(wěn)固，在200～400攝氏度之間基本不發(fā)生分解，其熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是目前所有正極材料中最高的。

　　然而，即便是以高穩(wěn)定性著稱的磷酸鐵鋰電池也會發(fā)生內(nèi)部短路故障。

　　湖北億緯動力有限公司儲能銷售中心副總裁陳翔表示，從專業(yè)的角度來分析，電池內(nèi)部發(fā)生短路的原因有很多。比如，鋰電池在制造過程中本身可能有些小瑕疵，會形成短路;在使用過程中出現(xiàn)了撞擊、過充或者過放，也可能導致短路。

　　劉勇也提醒，材料體系穩(wěn)定不代表電池的絕對安全。磷酸鐵鋰納米級顆粒較小，采用碳包覆工藝，粘結(jié)劑對納米顆粒的粘附力較差。因此，在電池制備及充放電循環(huán)過程中，存在納米顆粒脫離造成電池內(nèi)部微短路的可能性。

　　江西贛鋒鋰電科技股份有限公司首席科學家許曉雄補充說，傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池都是液態(tài)電解質(zhì)電池，電池破損后，有機電解液遇水反應(yīng)會生成劇毒的氟化氫，燃燒以后還會排放二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等。這些有毒氣體的危害可能比起火、爆炸本身更麻煩。

　　而廣州智光儲能科技有限公司董事長姜新宇等多位業(yè)內(nèi)人士認為，應(yīng)該理性看待鋰電池的安全性問題。因為燃油車、氫能車、液化天然氣車都有起火爆炸風險。電化學儲能作為一種基于化學反應(yīng)原理的技術(shù)，很難做到絕對安全，但這不一定影響其安全使用。關(guān)鍵是要將它的不穩(wěn)定、不可控的安全風險降到足夠低，將事故風險控制在人們可接受的范圍內(nèi)。

　　北方工業(yè)大學汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究中心研究員張翔表示，電池包由多個單體電池模塊組合而成，每個模塊之間由傳感器監(jiān)控。電池包在量產(chǎn)之前要按國家要求做各類實驗，如高溫、高壓、高原等。實驗全部通過后，電池包是安全可控的。數(shù)據(jù)顯示，新能源汽車起火、爆炸、自燃的幾率低于燃油汽車的1/3。消費者不用過分擔心其安全問題。

　　如何最大程度降低技術(shù)的固有安全性隱患、提升鋰電池系統(tǒng)的整體安全水平呢?業(yè)內(nèi)專家指出，儲能安全是個系統(tǒng)工程。為了解決傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的安全問題，提升經(jīng)濟性，相關(guān)研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)做了不少技術(shù)探索和研究，一些嘗試已取得突破。

　　針對鋰電池液態(tài)電解質(zhì)的弊端，一些企業(yè)正在嘗試用固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)。在國家工信部公示的《道路機動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》(第351批)中，東風汽車申報的一款純電動轎車搭載了混合固液電解質(zhì)鋰電池。許曉雄介紹，從2022年開始，江西贛鋒鋰電科技股份有限公司的混合固液電解質(zhì)鋰電池就逐步進入乘用車市場?，F(xiàn)在，他們的固態(tài)+鋰電池技術(shù)向多個方向滲透，包括手機電池、兩輪車電池、筆記本電腦電池、移動儲能電池等領(lǐng)域。許曉雄認為，安全是鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生命線。動力鋰電池的目標是做高能量密度，儲能鋰電池的目標是做到長循環(huán)壽命以降低成本。考慮到這兩點，電化學儲能領(lǐng)域未來最有前途的技術(shù)路線應(yīng)是固態(tài)化技術(shù)與磷酸鐵鋰電池技術(shù)嫁接。

　　還有一些企業(yè)從電池結(jié)構(gòu)設(shè)計上入手，比如刀片電池、矩陣電池包、彈匣電池等。

　　傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)是一個模塊與另一個模塊相連。比亞迪股份有限公司把電池設(shè)計成了片狀、條狀，像刀片一樣，刀片電池名字由此而來。刀片電池扁平的設(shè)計，使得其電極極板層數(shù)少，在外界損壞比如針刺以后，觸發(fā)短路導致的發(fā)熱量就很少，而扁平的設(shè)計又有利于散熱，就不會發(fā)生溫度驟升和冒煙起火事故。同時，刀片電池在電芯方面還有疊片結(jié)構(gòu)加陶瓷涂層技術(shù)等高科技的應(yīng)用。

　　蜂巢能源科技有限公司通過自主創(chuàng)新，推出短刀片磷酸鐵鋰電芯和磷酸鐵鋰矩陣電池包。磷酸鐵鋰矩陣電池包采用鋁型材結(jié)構(gòu)，憑借高強度的外殼設(shè)計，能夠很好地保護電池包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前磷酸鐵鋰矩陣電池包已通過振動、機械沖擊、碰撞、火燒等國標要求的全部機械性能測試，順利通過了針刺試驗。即使在嚴重碰撞情況下也可有效保護電芯不受侵入，保證電池包不起火、不爆炸。

　　廣汽集團的彈匣電池是將一個個電芯放置在安全艙中，類似彈匣，中間采用航空級的二氧化硅級耐高溫納米材料，起到阻燃、隔熱效果。再就是配置極速降溫的三維速冷系統(tǒng)和全時管控第五代電池管理系統(tǒng)，避免了讓單電芯的火和高溫四處蔓延，必要時還可以對電芯實施極速降溫。

　　除了電池技術(shù)本身之外，有專家認為，鋰電池儲能系統(tǒng)的優(yōu)化和技術(shù)升級也是確保安全性的重要方面，國內(nèi)企業(yè)尚有較大提升空間。中能智慧能源科技(上海)有限公司總經(jīng)理朱強表示，儲能系統(tǒng)里電池最關(guān)鍵，如何用好電池同樣關(guān)鍵。在對現(xiàn)有主流鋰電池技術(shù)路線客觀理性認識的基礎(chǔ)上，更應(yīng)該做好系統(tǒng)檢測和管控工作。大規(guī)模儲能電池往往是多個電芯串聯(lián)或并聯(lián)，一個電芯出問題，難免會波及相鄰電芯，從而引發(fā)事故。多位業(yè)內(nèi)人士表示，由于每家儲能企業(yè)的成本控制能力不同，再加上目前在大規(guī)模電化學儲能領(lǐng)域，檢測和安全標準體系仍不健全，一些儲能電池系統(tǒng)的安全性水平仍難準確評估。

　　許多化工企業(yè)注意到，鋰電池和儲能與化工材料息息相關(guān)。提升大規(guī)模鋰電池儲能安全水平，不僅需要新能源行業(yè)的努力，更需要相關(guān)化工新材料行業(yè)的緊密配合。鋰電池市場正期待更多化工新材料技術(shù)為鋰電池安全提升發(fā)揮更大作用。