做好失效-保护,三元材料的高比能量与安全性或可兼顾

2013年12月02日 10:12 来源:节能与新能源汽车网 作者:樊春艳
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“三元材料我们一直在做,但我们知道,三元材料在本质特性上不如磷酸铁锂安全。”比克国际(天津)有限公司的毛焕宇先生在2013中国汽车工程学会年会上做报告作如上表示,他同时还提到:“但面对国家对动力电池的规划要求(2015年比能量150瓦时/公斤,成本降低至2/瓦时),以及电动汽车续驶里程的现实需要,三元材料将是一个可实现目标的重要技术路线,要使用三元材料,就要做好电池包的失效-保护(Fail-Safe ),才有可能在保证安全性的前提下,提高电池的能量密度。”

三元材料与磷酸铁锂的各项指标比较

毛焕宇先生在对比了磷酸铁锂电池和三元体系电池后,给出这样的结论,前者具有较高的安全性和较好的循环寿命等优势,但较低的能量密度、较差的低温性能等弱点也同样突出,而三元体系电池则基本具备了适应电动汽车应用的诸多优点,尤其是较高的能量代谢密度和较高的放电电压,这意味着可以更长的纯电里程和更低的成本,但其安全性的问题是成了惟一的制约因素。具体见下表。

 

优势

劣势

LiFePO4

高安全性

好的循环寿命

低能量密度(~120Wh/kg

低温性能较差

自放电难于检测和控制

较低压的放电电压www.baoidu

Li(NMC)O2

较高能量密度(~180Wh/kg

好的循环寿命

好的低温性能(~80%容量)自放电易于检测和控制

较高的放电电压

Cell 安全性较低

 

三元材料电池包必须具备且不局限于失效-保护(Fail-Safe 系统

 

三大特性导致安全性问题,首要失效原因直指内短路毛焕宇先生认为:由于三元材料具有以下三个方面的特性,即:1.在较低温度即开始自放热;2.瞬间发热量大;3.爆炸温度高,因此在本质特性上三元体系电池不如磷酸铁锂电池安全。而通过对一些电池包起火甚至爆炸事故的调查来看,电池组内短路造成的事故占绝大多数,包括前段日子波音787机载电池起火事件。毛焕宇先生认为,电池内部短路是最常见而最难以完全杜绝的现象。

何为失效-保护(Fail-Safe)系统。毛焕宇先生认为所谓的失效保护系统是保证在一个或少量电池Cell发生内短路时,整个电池包不发生起火甚至爆炸等恶性事故的一种系统,该系统应该包括三个部分,即:较小尺寸的电芯;有效的隔热和散热通风装置;3有效的瞬间断电装置。至于较小尺寸的电芯标准,比克经过多方测试,认为从目前的技术水平来看,超过8Ah的电芯就很难控制其热传导,因此可以认为8Ah是目前Fail-Safe 系统电芯的建议极限尺寸,而后两条是保证在第一时间切断热传导和电传导,使起火冒烟被限制在最小的范围内。从比克的模拟实验来看,通过人工触发三元电池内短路,在不具备失效-保护系统的情况下,电池发生爆炸的机率很大,而合理装备失效-保护系统后,同样的实验条件下电池包的表现则温和得多,只是发生一段时间的冒烟而已。

当然,失效-保护只是电池安全的一方面,电池的安全不能全靠失效-保护系统来保证而相应地,电池的制造工艺是保证电池性能的更根本因素,这就是为什么同样体系的电池,有的企业可以做到一致性好、寿命长、安全性好,而有的企业则做不出高性能的电池。

 

我国正在制定关于电池模块、系统、电池包等国家和行业标准

 

电池内短路发生虽然是小概率事件,但车用环境的复杂性使得电芯失效其实是不可避免的,三元材料虽然从材料特性上看安全性不如磷酸铁锂,但如果电池厂家认真做好失效-保护系统,三元体系电池的安全性还是可以有效保证的。目前在美国和欧洲,三元材料的应用越来越广,而我国三元材料的应用也有日渐扩大的趋势,为适应这种形势,据中电集团十八所肖成伟主任的介绍,我国目前只有电芯的标准,但现在已经启动了对动力电池模块、电池包、电池箱的标准的相关研究,未来将会形成行业或国家标准,届时对电池的评价将更为全面,在一定程度上也会考核到电池包和电池箱整体的安全性。
 
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编辑:susan

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