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追根溯源 电动车电池安全问题解读

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蔚来“BAAS”换电模式为车电分离提供思路

什么是纯电动车发展道路上的绊脚石?这个问题的答案不只一个,但众多答案当中,有一个最受到大家的重视,那就是电动车的安全问题,因为它和我们的生命安全息息相关。而在众多影响电动车安全的问题当中,电池安全最棘手、影响也最大,于是这一次我们打算用四期选题,追根溯源,从动力电池的发展、现状、未来等不同阶段,以动力电池辐射到整车,剖析纯电动车的安全问题。

本期是该系列选题的第一期,我们将带您回到中世纪,看看电池是如何诞生的,作为驱动车辆的能源,它又经历了什么,从什么时候开始,它变成了“危险份子”?

如果这世界上真的有时光机,那让我们回到1786的一天,在意大利一个潮湿、充满腥气的解剖室当中,来自意大利的解剖学家Luigi Galvani(伽尔瓦尼)和他的助手正准备解剖一只死青蛙。当他双手举着手术刀,碰触到青蛙的腿部时,青蛙的腿部肌肉抽搐了一下。

这个名叫伏特的小伙子不仅是个贵族,同时还是一个物理学家,他受到本杰明·富兰克林的启发,多次实验论证,产生电流的并不是青蛙的肌肉,而是一些液体和两块异质金属。尽管伽尔瓦尼的结论并不准确,但从他开始,人们就开启了一系列对可储存电能的研究。

可能是伏特太过于沉迷于掌声,他并没有深入对这些电化学反应进行研究,电流产生的基本原理,他并不知道。正如在发明了罐头之后很多年人们才发明了开瓶器一样,很长一段时间内,人们并不知道电堆产生电的原理。

实际上“伏特电堆”的银片和锌片就是后来我们说的电池的正负极,而盐水浸湿的纸片就是后来的电解质。当时的科学家对化学电池进行了多方面的尝试,人们发现在电池产生电的同时,还会出现很多气泡(氢气),气泡控制不好,电池就容易膨胀、爆炸。

这时候的电池,电压低、容易爆炸、因为电解质使用的是硫酸,所以还有搬运不方便的问题存在,于是1888年,化学家卡斯尼尔将淀粉加入电解质中,制成浆糊状,从此这类电池就被成为“干电池”。在这里需要说明一下,现在动力电池当中的电解质也是浆糊状的,但为了和固态电池当中固态的电解质区分,我们也通常将前者叫做电解液。

随后镍镉、镍铁电池被发明出来,但由于当时这些材料比其它蓄电池的料贵得多,因此实际应用受到了阻碍,但这也让镍这种正极材料体系的电池开始进入了人们的视野。之后科学家对电池的研究,都在如何让电池的电力更持久、更安全、成本更低的道路上不断努力。

如果大家还能背出元素周期表,那就会知道排在前列的锂是比较活泼的金属元素,科学家们发现将复合材料混合锂离子制成的电池能放出的电量最多,而且锂的重量非常轻,用它制作的电池体积非常小,为电池的广泛推广、应用打下基础,但事物总有双面性,锂过于活跃,容易发生内短路,存在的安全隐患比较多。

由于锂活性较高,遇到水或者空气都会发生反应导致燃烧和爆炸,那么如何稳定它呢?科学家发现锂离子具有嵌入石墨的特性,因此尝试利用这个特性制作充电电池,首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

由于该思路和当时锂离子电池研究的方向不大一致,当时没有任何一家企业敢接古迪纳夫的发明,甚至他的母校牛津大学都不愿意为其申请专利。不过这时候一家来自日本的公司伸出了橄榄枝,它就是索尼公司。至此锂离子电池发展的“权杖”从欧洲转移到了亚洲。

实际上从1992年索尼将锂离子电池商业化之后,锂离子电池开始大量在消费电子产品中出现,广泛的应用不仅拉低了它的成本,同时也推动了锂离子电池的发展,能量密度更高、续航里程更长,充电倍率更高、各种材料体系的锂离子电池出现:钴酸锂、磷酸铁锂、三元锂电池层出不穷。

磷酸铁锂材料相比钴酸锂材料拥有更结实的晶体结构,这意味着更加耐久和安全,并且它的主要构成元素是我们生活中随处可见的铁和磷,所以生产成本要比钴酸锂低得多。后来人们对电池的能量密度又不太满意了,于是更高电压、能量密度更高的三元锂电池出现在人们的视野当中。

从电化学电池的发展历程来看,它起源自欧洲,在亚洲被发扬光大,通过多年的发展,目前铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池,它们因为各自的“个性”特征被应用在生活的各个方面。那么锂电池在这么多电池种类当中,凭什么脱颖而出成为车辆动力电池的优选?本身带有不稳定性的它,为什么还能让车企业趋之若鹜呢?

早期的电动车风靡了很短暂的一阵,由于当时用作动力的铅酸电池体积大、质量大、能量密度小,电池重达1200磅,进行维护的时候需要将其整个取下,且在电池的底部会形成沉淀物,不定时清理容易造成短路,硫酸等电解液会流出,造成中毒或发生爆炸。汽油车的先驱Charles Duryea查尔斯·杜里埃曾开玩笑地说:“一组电池比一座全是病人的医院还难伺候”。当时的电动车没能发展起来还有一个重要的原因,当时电动车依然是贵族的工具,因为欧洲很多地方家里还没有通电。

EV1使用的是铅酸电池组,续航仅为96公里,铅酸电池续航能力差也成为电动车不能逾越的一道坎,尽管随后通用使用了镍合金电池组代替铅酸电池,但续航里程仅达到260公里,和汽油车没法比,且电池里的材料造价不菲、污染严重。

福特也曾尝试使用钠硫电池当作动力电池,它的续航能力是铅酸电池的三倍,但这种电池在实验室中频频起火,最终没能应用到量产车上。虽然纯电动车型的发展受到了阻碍,但油电混合动力车型在这个阶段有了一定的发展,镍氢电池也是在这时被广泛使用,它稳定性高、耐过充过放,即便能量密度低,续航里程少,但由于车型不单单是靠电力驱动,因此它的缺点也能被人们所接受。

车用动力电池从诞生起就一直在循环性能、成本、安全性、能量密度、容量这几大方面寻找平衡点。实际上不仅是车用动力电池,这几大方面甚至贯穿了整个电池发展200多年的时间,人们在互相拉扯、选择之间推动着事物的发展,可以预见的未来是我们还将在这些方面不断探索和前进,作为车用动力电池来说,如何达到最完美的平衡,需要的可能是我们全人类的努力。

下期预告:

经过多年市场选择,锂电池因为体积小,能量大,多次重复可充且无污染成为了车企的宠儿,唯一的缺点就是不那么稳定,于是人们试图通过电池的材料选择、生产工艺和给电池安装管理系统来保证安全性。下期文章我们将从锂离子电池不安全的罪魁祸首说起,看看锂电池的安全问题是否避无可避?引起现在电动车起火、爆炸的外因、内因又有哪些?

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