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电动汽车安全质疑 电池材料研发薄弱

来源:中国科学报作者:马佳 胡珉琦  2013-07-05 17:28点击: 二维码
中国电池的薄弱点在于,一是原材料,另一个则是装配工艺,尤其是在电池包的组装上面。

中国电池的一致性和均匀性还比较差,这就可能影响使用寿命,还可能引发安全问题。装配工艺,环境控制,包括湿度、温度等各个细节的把握,国内的电池企业做得还很不足。中国不提升新材料研发的力度和深度,是跟不上节奏的。

6月18日,在香港刚刚引进比亚迪电动出租车一个月,就发生了充电时爆炸事件。虽然比亚迪官方声明此次轻微爆炸是源于充电盒故障,但还是不禁令人想起了前两年发生的两起电动汽车因不同原因起火的事故,再次引起了公众对电动汽车安全问题的讨论。

2012年5月26日,深圳滨海大道上一辆电动出租车被一辆高速行驶的跑车追尾后,电池短路起火。

2011年4月11日,杭州,上路未满3个月的电动出租车在路边自燃起火。

材料、安全需平衡

锂离子电池是目前在电动汽车上主要使用的动力电池。各国电动汽车企业采用的锂电池类型根据材料都有区别,就主流动力电池产品来讲,中国企业主要是磷酸铁锂电池,日韩主要是掺三元材料的锰酸锂电池,而奔驰等一些企业则采用钴镍酸锂电池。

“这些锂电池的分类,主要是指锂离子电池的正极材料的不同。” 中国科学院物理研究所研究员黄学杰告诉《中国科学报》记者:“这些正极材料,大家都在用,但对于哪一种更适合电动汽车的发展有一些不同的意见。不过,目前在中国的示范运行车辆中,大部分使用的是磷酸铁锂为正极材料的电池,也有一些企业正在开始做锰酸锂混合三元材料的体系。”

所谓锰酸锂混合三元材料,是指在锰酸锂正极材料中加上三元材料,即镍钴锰酸锂或铝掺杂的钴镍酸锂。目前开始采用锰酸锂混合三元体系的主要是日韩企业,比较典型的是日产LEAF(聆风)和美国通用的Volt(沃蓝达),分别采用的就是日韩企业生产的锰酸锂掺三元正极材料的锂电池。

2012年,Volt也发生了在碰撞测试一段时间后电池起火现象。难道说,无论什么样材料的电池都会有易燃易爆的安全隐患吗?

黄学杰认为,并不能因这几次事件就判断电动汽车电池不安全。“凡是含有能量的器件,在高速撞击的情况下都可能出现短路或者燃烧。即使现在在我们生活中已经十分普及的燃油汽车,它的油箱在同样的情况下也会发生爆炸。”

在国内发生的这两起电动汽车起火事件,黄学杰也看了有关的分析结论。他说:“这两起事故中,都伴随有电池的电解液泄漏和短路的问题。电解液主要成分是易燃的有机溶剂。目前蓄电池的材料技术,还处在一个发展的过程中。”

比如,美国的Volt在碰撞测试两周后起火,过后他们又做过重复试验,而试验中5台车中的3台重复了起火的现象,Volt被召回。之后Volt改进了电池组的结构,提升了强度。“他们并没有透露改进的详细内容,但是不久之后一个偶然事件却帮他们证实了改进的成功。”他说,“一辆Volt被一辆闯红灯的高速行驶的汽车撞击。撞击后车体损伤严重,而电池完好无损。”

锂电池并不单单受到电动汽车的青睐,美国波音的“梦幻客机”也充分利用了锂电池来节省燃油、降低成本。但锂电池也带来不少麻烦。2013年1月7日至16日,10天内波音787发生了7起事故,而其中就有两起是锂电池起火。黄学杰告诉《中国科学报》记者:“实际上波音上使用的锂电池的材料是有问题的。它用的是手机电池常用的钴酸锂正极材料,电池内部结构设计也有问题,起火后组内所有的电池都被烧完了。而深圳碰撞后起火的电动出租车使用的是磷酸铁锂电池,磷酸铁锂材料的稳定性比较高,燃烧后,只有约四分之一的电池被损坏。”

因此,对于动力锂电池来说,材料选择还是很重要的。比如使用纯三元钴镍锰酸锂材料的电池,一旦发生爆炸威力会非常大。“掺混三元材料的锰酸锂电池是目前应用的电池品种之一。美国的Volt和日本的LEAF使用的锰酸锂电池中就掺了大约30%的三元材料。”黄学杰说,“因为三元材料能够提升电池的容量。但为什么是30%而不是更高的比例,电池的其他材料和电池设计制造及管理技术决定了掺混更高比例的三元材料会带来安全方面的高风险。”

比如,目前电池外的隔膜,只能耐受120℃的高温,而未来的研究方向是耐200℃甚至更高的温度,保证电池在高温下不短路。此外还有更稳定的电解液需要发展。“在这些方面,我们都在向前发展。”黄学杰说,“电池比能量提升与安全需要一个平衡。一个电池好不好,不能只看一个指标,而是多个指标的综合。比如德国,他们对电池的要求就有8个指标,能量密度、功率密度、环境适应性、寿命、安全、成本、可靠性等都要达标才可以,不能‘偏科’。”

电磁辐射、充电安全添隐忧

对于电动汽车来说,还有一种安全隐患也在媒体中讨论过,那就是电磁辐射。当发动汽车后,大量电流通过电机后会产生对人体有害的辐射。电动汽车发射功率是手机的上万倍,电池波也会对人体产生影响。曾有电动出租车司机对媒体表示,开车一年后,不仅掉头发,裤子也发现有静电。

记者在网上搜索“电动汽车辐射”这样的关键词,发现,有很多网友在各种论坛提问,电动汽车的电池是否有对人体有害的辐射,一些孕妇对此尤其关注。

黄学杰告诉记者,“电器都会有辐射,但都有一个人体可接受的标准。目前国际上都有相关的标准”,而我国在2001年也颁布了《电动车辆的电磁场辐射强度的限值和测量方法》的国家标准。

为了达到标准,在电动汽车制造过程中,也有相应的技术降低电磁辐射。

对此,中国工程院院士、世界电动汽车协会创始主席兼亚太电动车协会主席陈清泉解释,对于电动汽车的电流以及辐射是有防护和隔离措施的。一般而言,符合当前标准的车辆,应该不会出现问题。但是,他也坦言,对于一个新生事物而言,这样的标准是否足够是需要持续关注的,它恐怕同样需要提高。

刚刚发生的香港比亚迪电动出租车的充电爆炸事故,主要是充电机的故障。黄学杰表示,这说明充电机还需要改进。

比亚迪对此解释是电网至充电盒连接点松动导致等效阻抗过大而引起过热。陈清泉认为,这主要涉及日常维护的问题,关键在于人员培训。他告诉《中国科学报》记者,欧盟有专门的资金支持对司机、维护人员的技能培训,值得国内学习。

“电动车发生故障并不稀奇,重要的是如何吸取教训,提高标准水平。”陈清泉指出,比如,日本电动车发生碰撞以后,为了避免严重燃烧,他们在电池包中装有一个传感器,一旦发生碰撞,可以马上切断单体电池之间的连接点,缩小危险范围。

电池原材料研发薄弱

在陈清泉看来,中国电动车电池技术在近十年来进步迅速,不但做得又快又大,而且相对比较便宜,但是,中国电池的薄弱点在于,一是原材料,另一个则是装配工艺,尤其是在电池包的组装上面。

在业内,电池比拼的就是高新材料技术,主要体现在正极、负极以及负责使离子在两极间移动的电解质这三方面。

锂电池的工作原理是在充电时从正极溶出的锂离子经由电解质移动到负极一侧,将电能转化成化学能,并储存起来。放电时,反过来使锂离子从负极移动到正极,由此释放电能。

目前,就电池技术最为先进的日本来说,锂电池的能量密度最高可在100~120Wh/kg,平均每千瓦时的成本约为10万日元。陈清泉告诉《中国科学报》记者,中国最优的锂电池目前也能达到这样的水平,主要使用的材料是磷酸铁。而国家希望锂电池的能量密度能够达到150~200Wh/kg,日本的企业目标则是以2020年前后为限,使能量密度增加到250Wh/kg,将平均每千瓦时的成本降低到约3万日元。也就是说,用大约10年时间将能量密度提高到2倍以上,成本则降至三分之一以下。

“如果依照这样的行业目标,中国不提升新材料研发的力度和深度,是跟不上节奏的。”陈清泉指出。

陈清泉还提到,在一个电动车里面为了提高功率有很多电池需要进行串并联,变成一个电池包,电池单体做得很好,不代表组装成电池包以后就好。“中国电池的一致性和均匀性还比较差,这就可能影响使用寿命,还可能引发安全问题。”因此,他认为,装配工艺,环境控制,包括湿度、温度等各个细节的把握,国内的电池企业做得还很不足。

据陈清泉介绍,目前,日本电池的整体技术是最好的,但是成本也最高,中国的电池价格便宜,产能也大,而韩国的电池,性能优于中国,成本又比日本低,是其中产值最高的。

“跟其他国家相比,政府对于电池的研发投入是不足的。”陈清泉表示,政府支持的大多是电池的制造环节,这是相对容易的。“美国则花大量精力支持材料以及组装工艺的研发。”

因此,陈清泉提出,首先是要加强对电池原材料的研发。黄学杰也认为,日、韩的电动汽车电池技术无论是产业成熟度指标还是电池组可靠指标都仍然走在我国的前面。“我国现在处在一个从无到有的阶段,刚刚解决了‘有’的问题。”黄学杰说,“接下来要解决从有到好的问题,这还有很长的路要走。”

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[责任编辑:赵卓然]

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