2015年9月23日，由中國汽車技術(shù)研究中心主辦的2015電動汽車科技創(chuàng)新國際論壇(EVTIF 2015)在北京開幕，全國政協(xié)常委、國家“863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組組長、清華大學(xué)教授、“中國電動汽車百人會”執(zhí)行副理事長歐陽明高做了題為《車用動力電池發(fā)展趨勢安全管理》的專題報(bào)告，以下是發(fā)言實(shí)錄：
今天主要跟大家探討電動汽車動力電池發(fā)展趨勢與安全管理。2015年1到8月份，我國新能源汽車已經(jīng)到12.35萬輛，尤其是純電動車增長得非?？?。我們不能光看這個(gè)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)的動力還是技術(shù)，如果說純電動車的技術(shù)，我想核心大家肯定共識就是電池技術(shù)，所以我今天想介紹一下電池技術(shù)相關(guān)的。
中國電動汽車電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，應(yīng)該說總體上還是不錯的，我們從“十五”科技部電動汽車重點(diǎn)專項(xiàng)起步開始推動中國電動汽車動力電池的研發(fā)，當(dāng)時(shí)主要是鎳氫電池和錳酸鋰電池；到“十一五”的時(shí)候，主要是磷酸鐵鋰電池，應(yīng)該說磷酸鐵鋰電池的發(fā)展支撐了我們“十二五”電動汽車的發(fā)展；到“十二五”，我們重點(diǎn)的研發(fā)轉(zhuǎn)向了三元鋰離子電池，估計(jì)今年我們?nèi)囯x子電池的比能量會達(dá)到180Wh/kg，現(xiàn)在我們正在起動“十三五”。“十三五”將會在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級，我們估計(jì)在今后5到10年鋰離子電池將會達(dá)到它的技術(shù)極限，我這里顯示的是在中國目前的一些總體的產(chǎn)業(yè)情況和電池性能和成本的一些發(fā)展情況，我們預(yù)計(jì)它是在逐步的上升，這是系統(tǒng)比能量。預(yù)計(jì)到2020年會超過200Wh/kg，比現(xiàn)在估計(jì)要提高一倍。
跟國際相比，我們也存在很多問題，包括我們先進(jìn)材料和機(jī)理方面的研究比較差，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)還不太先進(jìn)。另外制造的自動化程度也比較低，精工藝的開發(fā)能力也比較弱，還有一個(gè)電池系統(tǒng)涉及技術(shù)比較落后，因?yàn)橐郧按蠹叶加X得電池系統(tǒng)沒什么技術(shù)，就是把單體給組合起來就完了，現(xiàn)在才開始知道，電池系統(tǒng)也是很復(fù)雜的技術(shù)。由于這些問題，我們高端材料供給還不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性、產(chǎn)品性能還不能完全滿足市場的要求，企業(yè)創(chuàng)新能力總體還不強(qiáng)，優(yōu)勢產(chǎn)能不足，而且面臨韓國等國外電池企業(yè)的挑戰(zhàn)，這是當(dāng)前我們電池面臨的一些問題。
從全球看，電池技術(shù)尤其是鋰離子電池技術(shù)還在不斷進(jìn)步，我們預(yù)計(jì)在今后5到10年，也就是到2025年，鋰離子電池將會竭盡它的性能極限，到達(dá)大約350 Wh/kg-400 Wh/kg左右。我們下面會做研究來探討這個(gè)極限究竟是多少，至少我們現(xiàn)在認(rèn)為到達(dá)300Wh/kg-350 Wh/kg應(yīng)該是沒有問題的，這是單體。真正到系統(tǒng)，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以達(dá)到200Wh/kg左右，應(yīng)該說比現(xiàn)在的大約提高一倍。這是美國能源部對鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的一個(gè)判斷，我們也基本是認(rèn)同這個(gè)判斷的。
當(dāng)然，為了達(dá)到這個(gè)系統(tǒng)，單體材料層面當(dāng)然就要達(dá)到80Wh/kg左右。日本應(yīng)該說也是有類似的看法，在2020年，達(dá)到300 Wh/kg，這是他們的一個(gè)基本判斷。這種電池將會采用硅碳復(fù)合的負(fù)極，高電壓的電解質(zhì)，以及富鋰的固溶體或者高鎳的三元材料，這個(gè)材料體系目前應(yīng)該說從基礎(chǔ)層面基本上是清楚的，關(guān)鍵是如何把它開發(fā)出來，也就是說我們現(xiàn)在其實(shí)300瓦時(shí)每公斤也可以做到，但是壽命非常短，尤其負(fù)極的硅這種材料充電的時(shí)候膨脹比非常大，容易迅速衰減，所以它現(xiàn)在提高壽命，如何來解決硅負(fù)極的相關(guān)問題，這是目前技術(shù)攻關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)。
根據(jù)國外的趨勢，中國2020年的一個(gè)基本的發(fā)展目標(biāo)，高比能量電池目標(biāo)也是要達(dá)到300Wh/kg，壽命1500次，成本0.8元，系統(tǒng)比能量大約210Wh/kg，這是按照單體的70%，比現(xiàn)在約提高一倍。如果用這樣的電池，我們用相同重量也就是200kg的電池的話，我們現(xiàn)在的性價(jià)比比較好的電動車?yán)m(xù)駛里程可以到300公里以上?，F(xiàn)在的純電動車的成本，主要增加的是電池，如果能把電機(jī)這些驅(qū)動系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比的話，大約還可以節(jié)省出5000到1萬塊錢用于電池，也就是說我們現(xiàn)在比燃油車貴的部分主要是電池，當(dāng)然電機(jī)比發(fā)動機(jī)要便宜一些，但是也便宜不了太多，可以勻出5000到1萬塊錢給電池，其余多的錢就是增加的。按照我們購置和使用綜合考慮的話，在2020年之后，小型電動車，比如說城市代步用的200到250公里左右，應(yīng)該可以跟燃油車競爭。這是我們電池的技術(shù)路線圖。
在邁向高比能量鋰離子電池的過程中，大家可以看到我們電池的成本下來了，比能量提高了，續(xù)駛里程上升了，我們電動車可以競爭了，但是這中間有一個(gè)重要的問題是，在這個(gè)過程中，安全性將會變得更加突出。大家可以看一下，這是我引自寶馬的一張圖，能量密度，比方說這是現(xiàn)在的，2018年的，2020年的，2025年的，在持續(xù)上升，但是我們的安全性并沒有大的變化，安全性面臨的挑戰(zhàn)，越往高比能量走挑戰(zhàn)越大。所以我們必須下面對安全性要受到進(jìn)一步的高度的重視，也就是說我們性能提高了，但是耐久性和安全性的問題將更加突出，這是我們面臨的三個(gè)問題，安全性、耐久性、動力性，最核心的是安全性問題。
下面我說一說動力電池的安全性是一個(gè)什么樣的問題。
我們先看一下，我們安全性的問題概括起來叫動力電池?zé)崾Э?，也就是到達(dá)一定的電池受熱到一定溫度之后，它就不可控了，溫度直線上升，超過500℃、1000℃，然后就會燃燒爆炸。為什么會有這個(gè)問題，首先過熱會引起這個(gè)問題，溫度上來，最終都是溫度上來導(dǎo)致的，它會觸發(fā)電池里的副反應(yīng)，隨著溫度的升高，我們電池里會產(chǎn)生一系列的副反應(yīng)，這些副反應(yīng)都會放熱，導(dǎo)致熱的失控。另外一種原因，電觸發(fā)的，比方外部短路、內(nèi)部短路、過充，這些都會導(dǎo)致產(chǎn)熱，然后形成熱，然后產(chǎn)生熱失控。還有一個(gè)原因就是碰撞，比方說車輛的碰撞、擠壓。擠壓之后就像一個(gè)針刺了電池一樣，然后短路，短路這是一個(gè)電的觸發(fā)，然后再產(chǎn)熱，然后熱再引起熱失控，這是大概它的幾個(gè)誘因。這是熱失控的過程，隨著溫度的升高，會觸發(fā)不同的副反應(yīng)，比如說石墨負(fù)極與電解液的反應(yīng)、電解質(zhì)的分解、大規(guī)模的內(nèi)短路等，導(dǎo)致最后電解液燃燒，最后熱失控，放熱速率會非?？臁Ｒ粋€(gè)熱失控之后會導(dǎo)致它在一個(gè)電池里面的傳播，比方熱失控在第一個(gè)中間過來之后，它就會隨著在整個(gè)電池組里面迅速擴(kuò)散。
我們看幾種不同的熱失控，第一種是過熱的熱失控觸發(fā)，比如說插電式的普瑞斯。我們來看那個(gè)熱失控的過程，這就是個(gè)三元電池的熱失控過程，我們可以看出它分成幾個(gè)階段，隨著不同時(shí)間、不同的溫度，底下是它不同的熱失控的反應(yīng)，可以看出溫度逐步上升，到這個(gè)時(shí)候溫度就直接往上竄上，電壓直線下降。為了研究熱失控，我們需要采用一種量熱儀，這就是一個(gè)加速的量熱儀，動力電池各種復(fù)反應(yīng)放熱的過程都可以量出來，由此可以確定每一個(gè)副反應(yīng)集合起來的溫度的上升，也可以進(jìn)行整個(gè)動力這個(gè)過程的一個(gè)模型的計(jì)算，由此我們可以在此基礎(chǔ)上對這個(gè)溫度進(jìn)行一個(gè)預(yù)測和判斷。這是過熱的原因和解決辦法，包括電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高，或者是電纜的接頭松動等，解決辦法兩個(gè)方面，一個(gè)是電池的設(shè)計(jì)，一個(gè)是電池的管理。
比如說我們可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)，比如說這就是一種新的材料，溫度到這個(gè)之后就平了，這是從材料設(shè)計(jì)的角度。另外一個(gè)，電池管理的角度，我們可以來預(yù)測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級。比如說在不同的階段，我們可以算出它的溫度是多少，來判斷定義不同的安全等級，來進(jìn)行分級報(bào)警，這是第一個(gè)問題。第二個(gè)問題，過充電觸發(fā)的熱失控，比如說前一階段出現(xiàn)的電動巴士的燃燒就是這個(gè)原因，這個(gè)原因最后發(fā)現(xiàn)是電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電池管理系統(tǒng)的電路沒有功能安全，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控，然后還在充電導(dǎo)致的。
我們可以把過充電這種情況也來進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)，可以看出在這個(gè)過程中，我們跟剛才的過熱觸發(fā)不一樣，這是過充電的倍率，20%的SOC，到60%就開始失控了?；旧鲜窃?0%到38%，這個(gè)時(shí)候負(fù)極會下降到0，鋰金屬會析出。在第二個(gè)階段，電解液在高電壓下分解，溫度加速上升，電池開始膨脹，到160%SOC的時(shí)候電池膨脹到破裂，電池的電壓內(nèi)阻快速升溫，熱失控就發(fā)生了，這是過充電導(dǎo)致的熱失控，跟剛才的熱失控機(jī)理是不完全一樣的。怎么辦，我們可以看出過充電的原因和解決辦法，首先是充電機(jī)的故障，這個(gè)可以通過充電機(jī)的完全冗余來解決。第二是電池管理的不合理，管理的不合理比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。
給大家介紹一個(gè)辦法看看如何會產(chǎn)生過充電，這是一張電池組的理論圖，橫坐標(biāo)是容量，縱坐標(biāo)是電量，電量等于容量，充滿了，綠顏色的是單體，大紅點(diǎn)是整個(gè)電池組的容量，其他是各個(gè)單體的容量，充放電的過程可以看出充電的時(shí)候最早有一個(gè)單體到達(dá)，放電也有一個(gè)單體最早到達(dá)，這就是最小充電電量和最小放電電量的單體，這是充電的時(shí)候最容易到達(dá)，最快到達(dá)的那個(gè)就會形成過充。就是現(xiàn)在這個(gè)小紅點(diǎn)就是最容易過充的，我們用這樣一張圖可以把電池系統(tǒng)基本上分清楚。我們再看看，隨著電池的老化，各個(gè)電池之間的一致性會越來越差，當(dāng)然過充就更容易發(fā)生了，還有一個(gè)問題，就是電池組的容量比單體的容量下降的更快，紅點(diǎn)，底下的這個(gè)就是電池組容量的下降。
所以我們必須了解這個(gè)過程，在此基礎(chǔ)上，我們要進(jìn)行整個(gè)電池組的均衡，來保持一致性電池組，這就是一個(gè)均衡的原理。大家可以看出對一個(gè)串聯(lián)的電池組，我們現(xiàn)在主要是先并后串，這是最常見的電池組組合方法，先并完以后再串，這是一個(gè)串聯(lián)的電池模塊合起來的這些小綠點(diǎn)就是各個(gè)單體或者并起來的大模塊。他們串起來，就是這樣的情況。我們可以看出，第一我們這是一個(gè)，這些單體把它一致性起來，最后可以得到電池組容量就是那個(gè)最小容量的單體，這是我們可以達(dá)到的最大的電池組容量，也就是說一個(gè)串聯(lián)電池組容量，它實(shí)際上最好的情況就是跟最小容量的單體一樣大的容量。有了這個(gè)一致性之后，我們?nèi)萘恳不厣?，同時(shí)過充這種情況也會防止。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)一致性，我們就必須對各個(gè)單體進(jìn)行容量估計(jì)，也就要有一種方法來進(jìn)行容量估計(jì)，這就是我們根據(jù)充電曲線的相似性來進(jìn)行全體電池組的狀態(tài)的估計(jì)，也既是說我們只要知道了其中一只單體的電池的曲線，其他的曲線應(yīng)該跟它是相似的，經(jīng)過曲線變化，他們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易算了，也就是說根據(jù)一個(gè)單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法我們就可以進(jìn)行剛才的一致性的均衡，當(dāng)然這種算法的時(shí)間過長，所以要進(jìn)行簡化。
第三種就是內(nèi)短路觸發(fā)的熱失控，比方說波音的787事件，最后找到的原因，電極和隔膜上有金屬物，有了內(nèi)短路，但是我們無法100%確認(rèn)這個(gè)熱失控是內(nèi)短路觸發(fā)的，但是它是最可能的原因，因?yàn)檎也坏狡渌?，而且?nèi)短路沒辦法浮現(xiàn)。內(nèi)短路是什么原因，有三種，一種是電池制造雜質(zhì)，金屬顆粒，另外是充放電膨脹的收縮，還有析鋰。內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長，而且你不知道它什么時(shí)候會出現(xiàn)熱失控。而且這個(gè)試驗(yàn)也是無法重復(fù)的，現(xiàn)在我們還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程。
目前全世界都在研究這個(gè)問題。要解決這個(gè)問題，第一個(gè)方面是電池的選擇和電池單體容量的選擇，當(dāng)然你要找到好的電池廠商，它的品質(zhì)要好；第二個(gè)是內(nèi)短路的安全預(yù)測，我們在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。我們必須要找到它的特征參數(shù)，怎么辦呢，我們先從一致性著手，剛才已經(jīng)提到過一致性，從一致性著手電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，我們只要找到中間有變異的單體，我們就可以把它辨別出來。怎么辨別，有一個(gè)辦法，這就是正常的一個(gè)電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，我們把它的方程寫出來的話，方程的形式實(shí)際上是一樣的，正常單體、微短路的單體，只不過這里頭的參數(shù)發(fā)生了變化，所以我們可以對這些參數(shù)來進(jìn)行研究，它在內(nèi)短路變化中的一些特征。比方說內(nèi)短路單體的電勢差，它的內(nèi)阻跟其他單體的差異，這些都會有特征。我們根據(jù)這些特征，把這些特征辨識出來，我們要利用模型來進(jìn)行單體的辨識，因?yàn)槲覀兛梢缘矫總€(gè)單體的電壓，每個(gè)單體的電流，這些我們都是可以測的，利用這些數(shù)據(jù)再結(jié)合模型，我們就可以把每個(gè)單體的內(nèi)阻估出來，把它的這些參數(shù)全部估出來。根據(jù)這些參數(shù)的變化，我們來判斷它的一致性是否發(fā)生了顯著性變化。第三種觸發(fā)是機(jī)械觸發(fā)，比方說碰撞，特斯拉就是這樣的，特斯拉在美國撞過好多輛車，我們清華大學(xué)跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進(jìn)行過分析，這是我們分析的一些結(jié)果。如果我們在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的一個(gè)仿真，最接近的就是針刺，用針里來刺這個(gè)電池，這是一個(gè)三元電池的針刺的試驗(yàn)結(jié)果，紅的那邊是溫度場，中間的溫度高，右邊是熱失控的過程。我們?nèi)绻銎渌?，比如說磷酸鐵鋰電池，顯然在這個(gè)過程中它就沒有三元電池那么厲害，大家可以看電池極的溫度，基本上最高溫度在120℃，可以看出不同的材料在針刺的時(shí)候反應(yīng)不一樣的，磷酸鐵鋰相對安全。所以我們到現(xiàn)在為止，仍然堅(jiān)持在大客車中間主要使用磷酸鐵鋰電池，暫時(shí)還不宜大規(guī)模使用三元電池，尤其對12米大客車。再比如碳酸鋰電池，它也問題不大，不同的電池類型表現(xiàn)情況是不一樣的。
為了研究針刺，我們做一些三維的仿真模型，這是三維仿真的針刺之后的溫度場的變化和電壓變化。我們也可以做碰撞，怎么撞的，撞了之后怎么變形的，這些我們也做過很多研究。在此基礎(chǔ)上來進(jìn)行安全性的設(shè)計(jì)，比方這個(gè)碰撞要解決的辦法就是電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)，這個(gè)是很有講究的。熱失控發(fā)生之后，它會往下傳播，因?yàn)榈谝还?jié)熱失控之后它會有傳熱，然后開始傳播，比如說有一個(gè)，然后整組像放鞭炮似的一個(gè)一個(gè)接下來。傳播我們可以建立一個(gè)模型，中間溫度升高率，化學(xué)能電能的產(chǎn)熱，還有傳熱對流等。整個(gè)熱電耦合的模型，我們可以用前面說的量熱儀來做一個(gè)相關(guān)的定量的分析。有了傳播模型我們就可以設(shè)計(jì)如何來阻斷和抑制，這就是要加隔熱層。但是加隔熱層也不是個(gè)簡單的問題，加厚了體積大，而且隔熱層跟冷卻又是矛盾的，所以這些都是需要解決的問題。總之我們在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，我們也是從安全保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來著手。
