更安全的电动汽车锂离子电池(全文)

精品文档-下载后可编辑更安全的电动汽车锂离子电池(全文)新能源汽车在降低能耗、减少二氧化碳排放等方面具有显著的优势，被视为未来汽车的发展趋势。随着我国“十城千辆”工程的逐步推进，各新能源示范城市都相继在公共交通、出租、邮政环卫等领域投放了批量的纯电动汽车、插电式混合动力汽车以及混合动力汽车，新能源汽车逐渐出现在公众的视野当中。然而在新的技术带来绿色出行理念的同时，国内外发生的数起安全事件引起了公众对新能源汽车安全性能的担忧，其焦点集中到了新能源汽车所装配的电池组身上。

锂离子电池作为目前新能源汽车的能量储存体，最先商业化于上世纪90年代初，并逐渐广泛应用于各类消费类电子产品中。在某些极限的条件下，由于电池遭到滥用，本身内部微短路或外部短路，巨大的能量可能导致电池内的有机物质燃烧，从而引发事故，类似的情况在消费电子领域也有相关报道。相比消费电子产品的应用，新能源汽车中所使用的锂离子电池组单体容量更大，串并联数更多，同时使用的环境更严苛，从安全的角度来说也存在着更大的风险，民众对电池安全的担忧并非没有道理。

1．影响锂离子电池安全的内部因素

在新能源汽车领域，电池组的设计是车辆整体设计的重要组成部分，工程师们对电池组的结构设计，在热管理等方面进行过全面考量，并通过严格的测试，以满足电池适宜的工作环境，从而保证司乘人员的安全。但如何提高电池自身的安全性，是解决电动汽车安全问题的核心课题。

锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜以及电解液组成。作为一个化学电源体系，在设计的工作条件范围内一般不容易发生安全事故；而在某些极端条件下，如高温、过充、过放、外部短路或针刺挤压等，各组成部分自身的变化及相互作用都有可能影响电池安全。针对各组成部分而言：

1)正极材料。常见的正极材料包括钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、三元材料（NCM）、磷酸铁锂（LFP）等。不同的正极材料在接近其热分解温度时可能分解并与电解液发生放热反应；电池在高电压过充状态下，锂离子从正极材料过度脱出，其强氧化性可使电解液氧化。正极材料与电解液之间的放热反应会产生大量的热量，当这些热量无法散出,电池温度会继续升高,进一步加快放热反应,最终导致电池热失控。

2)负极材料。锂离子电池大多采用石墨作为负极材料，在过充（有时甚至是正常充放电）时，锂离子容易在负极堆积形成锂枝晶，刺穿隔膜形成电池内部短路，并与电解液反应生成可燃性气体，这是锂离子电池最大的安全隐患。

3)隔膜。商用的隔膜为多孔PP/PE材质，厚度一般为20-30微米左右，是正极材料与负极材料间唯一的屏障，当电池发生外部短路或受到针刺挤压时，很容易导致隔膜的破裂，造成短时间内的大电流，使得电池内部温度升高，并在极短时间内引发系列的剧烈反应。

4)电解液。常用的电解液通常为有机物，电池在极端情况下发生的冒烟、燃烧甚至爆炸，与其有直接的关联。与电池体系不匹配的电解液，在电池短路或电压过高时会被分解，瞬间产生大量气体，导致电池内部压力升高，严重时会导致胀气或冲破壳体。

对于这些锂离子电池存在的可能安全隐患而言，在非正常使用情况下，常用的碳负极所引起的锂枝晶析出最容易发生，是电池安全的短板。针对各组成部分在电池安全方面存在的问题，业内也在积极进行相应的改进研发，如开发正极材料时考虑其高温稳定性以及耐过充特性；在隔膜开发中注重其防穿透能力及闭孔阻隔特性；开发高电压电解液等；而钛酸锂（Li4Ti5O12，LTO）作为负极材料取代石墨，使得锂离子电池在安全性能上得到了很大的提升。

2．钛酸锂（LTO）电池技术特点

钛酸锂（LTO）材料用于电池开发始于上世纪90年代，其作为负极材料应用，相对碳负极有较大的优势，近年来受到很大的关注。

LTO为尖晶石结构，理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达165mAh/g，并集中在平台区域。LTO是一种零应变材料，如图1所示，锂离子在嵌入与脱出时晶格常数与体积变化都很小，具备极优的循环性能；而石墨的层状结构在锂离子嵌入脱出时通常产生层间形变，并随着嵌脱次数的增加而导致结构塌陷。LTO材料不与电解液发生反应，无SEI膜形成；更重要的在于LTO的电势比锂金属高，不易析出锂枝晶，使得钛酸锂电池相对其他实用碳负极材料的锂离子电池在根本上更安全。

为了得到更高的比能量密度，LTO通常作为负极材料与锰酸锂（LMO）或三元材料（NCM）正极材料组成电池，电压平台为2.3V左右。

3．更安全的LpTO电池

微宏对现有LTO材料进行改性，并同时对正极材料、隔膜以及电解液进行了相应的改性开发，经过系统整合，开发出了更安全与超长循环寿命的LpTO电池。

凭借对电池原料的技术改性，尤其是LpTO负极材料的应用，电池的安全性能得到了极大的提高。图2是几种目前常用在新能源汽车，尤其是纯电动公交与混合动力公交的电池与LpTO电池在同等条件下的穿刺测试对比照片。电池均为10Ah软包装单体，在相同的测试条件下，采用三元材料（NCM）作为正极，石墨（C）做负极的电池出现起火现象；采用磷酸铁锂（LFP）作为正极，石墨（C）做负极的电池产生了浓密的烟雾；而使用LpTO技术的电池则无异常现象出现，同时电池电压亦显示正常。这是因为LpTO电池从基础上改进了现有其他体系的锂离子电池潜在的安全问题。

在某些更极端的测试条件下，LpTO电池也表现出较强的安全特性。图3分别展示了LpTO电池在经过并联穿刺试验，或多次切断后的实物照片。可以看到，电池在并联穿刺后并未发生起火或者爆炸，而经过多次切断试验后还能保持其电压。

4．LpTO技术的应用

目前，这种更安全的LpTO技术在新能源公交领域已经有了批量的应用。自2022年3月以来，首批6辆配备LpTO技术的纯电动快速充电公交巴士在重庆609路已累积安全运行28000公里；2022年4月，又有25台投入到新的线路运营，同期也投放了使用LpTO技术的50台快速充电插电式混合动力公交巴士到重庆4条公交线路上。到2022年底，在重庆配备LpTO技术的新能源公交巴士总数将达到200台。

5．小结

无论是车企还是配套厂商，作为新能源汽车事业的参与者，首先要将安全作为头等大事，不能用生命的代价来换取产业的进步。锂离子电池在正常使用条件下是安全的，而为了保证锂离子动力电池的使用安全，除了在电池单体生产与成组时严格把控质量关，避免因制造工艺引发安全事故以外，电池组合理的结构设计、电源管理以及热管理都需要充分考虑。除去这些外部的因素以外，选用本身更安全的电池单体，可以从本质上提高电动汽车