鋰電池熱的"冷"思考：現今的電動汽車能快充嗎？

8月20日遼陽一輛電動汽車著火，8月23日聊城發生電動火車著火事件，8月25日成都威馬汽車起火，8月26日安徽銅陵一輛安凱電動客車著火…… 2018年5月到8月，公開報道的電動汽車事故多達16起，其中事故原因判斷為“充電自燃”就有9起，其他事故原因包括電池故障、電器元件短路、停放中自燃等等。新能源汽車進入發展高速期，技術突破和安全性上的挑戰隨之而來。

新能源汽車主是指採用非常規的車用燃料作為動力來源的汽車，目前市面上最常見的是純電動汽車和混合動力汽車。與普通汽車需要內燃機一樣，電動汽車需要動力電池提供前進的能量，目前動力電池中最主要的型別是鋰離子蓄電池。

“遵循科學規律，不要盲目”、“先把安全可靠的技術發展起來”，在10月17日至18日 北京舉行的“中國宜春·2018全球鋰電產業鏈高峰論壇”上，來自學界業界的人士，紛紛就鋰電池發展安全性的問題，如是呼籲。

鋰離子電池（Li-ion Battery）由鋰電池（Lithium Battery）發展而來。鋰電池在人們的生活中由來已久，比如鈕釦電池就屬於鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫醯氯，負極是金屬鋰。電池組裝完成後電池即有電壓，不再充電。鋰電池一般禁止充電，因為其充電放電過程中容易形成鋰枝晶，造成電池內部短路。

1992年，日本索尼公司發明了以炭材料為負極，以含鋰化合物作正極的電池，在充放電過程中，只有鋰離子，沒有金屬鋰存在，也就是現在的鋰離子電池。此後，日本索尼能源 ofollow,noindex">開發 公司和加拿大Moli能源公司分別研製成功了新型的鋰離子蓄電池（以下簡稱“鋰電池”）。目前鋰電池已廣泛用於各類手持式電子產品和電動汽車上。

對於鋰電池來說，效能好壞表現在兩個指標上：一個是充放電倍率，代表了電池的充電速度；一個是能量密度，決定了一輛車能續航多少公里。然而，對這兩項指標的盲目追求，很大程度上犧牲的是安全係數。

“快速充電技術目前還沒有出路”

“這些著火的事件，至少有60%是在充電或充電剛剛結束的時候出的事，說明充電出了大問題。” 國家863電動車重大專項動力電池測試中心主任王子冬表示。

鋰電池在充電過程中，鋰離子在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，正極負極不發生氧化反應。但是王子冬提出，現在充電的方法和使用過程充電都是用的氧化還原反應，不是鋰電池遵循自身規律應該有的充電方法。此前王子冬團隊的實驗結果顯示，使用現在的充電方法，大概能使電池壽命降低30%。因此在這樣的情況下，王子冬認為不應當考慮用大電流充電。

鋰電池的充放電倍率是指單位額定容量內的充放電電流，例如額定容量為100Ah的電池用20A充放電時，其充放電倍率就為0.2C。一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，但同時電池發熱現象也越嚴重。目前純電動汽車的充電容量都是慢充化的，基本在0.3C到0.5C之間。另一方面，用過大的電流充電會造成容量不夠滿，這是因為電池內部的電化學反應需要時間。和倒啤酒的一樣，倒太快會產生泡沫，反而倒不滿。

北京大學新能源材料與技術實驗室主任其魯介紹，今天的多元正極金屬複合氧化物電池要實現8分鐘充電，理論上大概要用10C的倍率才能做到，“這個能量不可想象”。

這些技術瓶頸實際上並不是新問題，其魯是中國鋰電池研究領域的先鋒人物之一，曾擔任2008年奧運會清潔能源電動車用動力電池專案的首席科學家，早在北京奧運會時期，他們就針對各類問題做過各種實驗。當時三元材料電池已經可以在5分鐘內完成充電。在實驗裡，三元鋰電池在快速充電的過程中，熱量不能迅速釋放，使得爆炸的可能性大大增加。考慮到安全問題，其魯表示這種技術不能用到純電動車上，只能用在電池混合動力車。

此外，動力電池的快充還面臨著一個非常現實的問題——城市的電力基本設施無法滿足個需求。假設一輛公交車用的是150kWh的電池，需要5分鐘來充電，一輛公交車就需要100kW供電能力，如果同時有幾百輛上千輛公交車一起充電，會對電網造成很大的衝擊。

“今天的城市電網根本做不到這一點。”其魯表示。

目前，王子冬的團隊正研究充電過程中根據電池特性調整充電方法，改了不同的充電方法後，普通標準充電法充500次的電池壽命，在新方法下可以做到充電1000次，有效減緩了電池的衰減。所以王子冬表示，即便有很多瓶頸，鋰電池一定會有特別適合自己的充電方法。

其魯認為，現階段最合適的是以車位為單位接線充電，兩三個小時、五六個小時、甚至一個晚上，這是充電技術完全可以做到。通過先把安全可靠的充電方式發展起來，來推動電動汽車的穩步、安全、健康發展。

能量密度與安全性是一對矛盾

2018年2月，財政部、工信部等四部委聯合釋出《關於調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，取消了對續駛里程150公里以下純電動車的補貼，對續駛里程超過300公里的純電動車補貼則增至3.4萬元，超過400公里的車型補貼增至5萬元。

美國加州大學戴維斯分校中國交通能源中心主任王雲石分析，這意味著純電動車在達到與汽油車類似的續駛里程後，續駛里程越長越好。新政策可能希望通過對動力電池系統能量密度的要求，來推進動力電池的發展。

鋰電池的能量密度(Wh/kg)是指單位重量的電池能儲存的能量多少，主要由電池的材料特性決定。按普通鉛酸電池的能量密度約為40Wh/kg計算，如果使用鉛酸電池驅動家用汽車行駛200公里以上，則需要將近1噸的電池。因此把電池重量控制在一定範圍的前提下，電池的能量密度越大，汽車的續航里程就越長。

能量密度數值理應是越高越好，但電池是能量高度集中的小型裝置，當更小體積裡聚集更多能量時，如果使用不當，比如溫度升高或突然遇到劇烈碰撞，其產生的後果甚至可以和炸彈相提並論。

根據新能源研究院真鋰研究釋出的最新資料，2018年6月份之後，120Wh/kg的電池包的裝機量佔比達到了約95%，而一年前的6月該比重僅為7.3%。也就是說國內電池系統能量密度的進步數以“驚人的速度”遠遠超過了海外。

2017-2018.8中國電動汽車乘用車產量中不同能量密度電池包的裝機佔比  來源：真鋰研究

儘管在高能量密度電池包的裝機數量有了極大提升，但如何平衡能量密度與安全性的問題尚未得到解決。

“在今天，能量密度毫無疑問和電池安全性成反比，我們還沒有解決好這個問題。” 其魯表示。

目前中國國內量產的鋰電池，理論電芯能量密度在300到400Wh。在這個上限尚無突破辦法的情況下，可以通過減磨隔膜的方式，擴大材料空間，從而提高能量密度。隔膜的作用是使電池的正、負極分隔開來，防止兩極接觸而短路，並讓電解質離子通過。

“這是最簡單，也是最危險的辦法。”王子冬表示。

王子冬介紹，此前他的研究團隊瞭解過三星Note7的著火事件，檢查發現三星Note7的電池使用的隔膜約在45微米到46微米左右厚，在使用同質材料的情況下，有些動力電池製造廠商甚至在考慮用10微米、8微米厚的隔膜，在他看來這樣的想法“很膽大”。

由於電池製造過程當中避免不了掉顆粒的現象，實際隔膜都會帶些細微的“工傷”，在材料沒有突破的前提下，超薄的隔膜、可燃的電解液、加上暗流湧動的枝晶，若在這一環節鋌而走險便會埋下爆炸隱患。

“在沒有掌握住鋰電池的著火規律前，把控能量密度、安全性和壽命的平衡關係，是我們不能忽視的問題。”王子冬說。

實際上，能量密度與安全性這一“魚與熊掌”的問題，不僅困擾著中國的鋰電池技術發展，同樣也困擾著業內領先的韓國和日本。來自德意志證券韓國公司的分析師Seunghoon Han表示，目前沒有哪家公司敢說其技術路線是完全確定的，但每個公司都認為他們的電池是最安全的。鑑於其他很多行業都通過標準化和規範化，引導解決了很多安全問題，如今鋰電池行業發展面臨的這些安全問題，或許也可以需要標準化來解決。而這些發展瓶頸期的問題，並不影響快充技術和提高能量密度依然是未來的技術發展方向。

“只有將安全指標標準化、規範化之後，技術發展才會更容易確定哪些是更安全的，哪些是不安全的。”Han表示。

另一方面，高能量密度意味著需要高密度的材料，高密度的材料將會決定儲存電能的大小。當一種材料能做到的厚度達到安全極限卻還低於人們期望的時候，很多人將目光轉向尋求新的材料。王子冬認為，如果沒有材料上突破，突破高能量密度這一問題，將會在瓶頸期會停滯很長的時間，10年或50年都有可能。

而對於最近很火的石墨烯、奈米材料等，其魯卻並不看好。他表示，包括此前使用的硫酸亞鐵鋰在內，這些材料實際上都是低密度材料，而三元材料多元材料等密度則高很多，未來甚至還能將密度做得更高。

“從材料角度看，石墨烯導電效能好，但由材料推導到電池再推導到電動車上，概念能一樣嗎？”其魯說，“奈米材料在這個領域當中不會有什麼具體應用。”

不管是快充還是高能量密度，其魯認為一定要戒驕戒躁、保持警惕，尤其對類似固態鋰電池這類能保證能量密度、使用又安全的技術，在沒有很好電導率的電解質材料出現之前，對這類電池的產業化不應抱有太多期望。

“我們還是要全力以赴發展出我們可行的技術，我認為最重要的是我們‘明天的技術’。”其魯表示。