電動汽車動力鋰電池的使用風險及保障措施

葛欣

南京郵電大學通達學院 江蘇省揚州市 225127

1 引言

人類進入工業文明時代以來，加速了對自然資源的攫取，一度以破壞環境為代價創造物質財富。地球資源在長期掠奪下逐漸匱乏，人與自然的深層次矛盾日益凸顯，極端氣候頻發，生物多樣性喪失。中國中國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當，承諾將力爭2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和。交通運輸行業是推動綠色發展，實現碳達峰、碳中和的關鍵領域，近年來新能源汽車銷量節節攀升。2020 年國務院辦公廳發布了《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035 年）》，貫徹落實新能源汽車戰略，2021 年新能源汽車的銷量出現倍增。在此環境背景下，電動汽車行業已經成為國家重點進行扶持的戰略新興產業。

動力電池是新能源汽車的核心部件，多以鋰電池作為電動汽車的動力電池。鋰電池指的是鋰離子電池，是20 世紀開發的新型高能電池，具有單體電壓高、比能量高的優點。單體電壓高意味著達到電動汽車工作電壓所需的電池單體數量更少，電池系統容易取得更好的一致性，內部結構的復雜度也被大大降低；比能量高意味著獲得同等能量的情況下，鋰電池系統的重量更輕，這對降低電動汽車的整車重量、提高電動汽車的續航能力有非常重要的意義。

圖1 近七年中國新能源汽車銷量數據[1]

雖然鋰電池在儲能和放電方面有很大優勢，但由于鋰離子的活潑性以及在生產過程中工藝、生產線等因素的影響，鋰電池在使用過程中仍存在著續航能力差、低溫充電困難、電池泄露、熱失控等風險。隨著新能源產業的迅速升溫，越來越多的人開始關注新能源汽車，而鋰電池的風險讓消費者對新能源汽車的安全性能產生質疑，在一定程度上也影響了新能源汽車的推廣。

2 電動汽車動力鋰電池的風險分析

鋰電池使用過程中存在的風險有兩類，一類是使用體驗感風險，一類是使用安全感風險。體驗感風險包括續航問題、低溫充能問題等，安全感風險包括電池泄露、熱失控等。

2.1 體驗感風險

體驗感風險是指電動汽車在使用過程中本身不會危害人的生命安全、但會頻繁發生而造成消費者焦慮心理的風險。研究發現，電動汽車使用者常常會有“里程焦慮”和“充電焦慮”，這是由于電動汽車充電難、充電慢造成的，特別是在寒冷的冬季，低溫條件下電池容量驟降，嚴重影響續航能力，長期處于低溫環境甚至會造成電池不可逆的損傷，而更換動力電池無疑會給消費者帶來較大的經濟損失。

2.1.1 續航問題

雖然動力鋰電池相比常規鉛酸電池具有更高的比能量，但經過不斷充放電循環，電池容量不可避免的有所下降，電動汽車的續航里程逐漸低于設計值，使用者需要頻繁充電來維持日常使用。目前電動汽車常用的充電方式主要有三種：便攜式充電、家用充電樁充電和公共充電樁充電，三種方式各有優缺點，詳細如下表所示。

表1 電動汽車常見充電方式優缺點

與普通燃油車相比，電動汽車充電難主要體現在兩個方面，一方面是目前國內電動汽車充電樁還沒有像加油站一樣普及，三四線城市更是少有公共充電樁網點，車主難以便捷地步行往返充電處和住處。另一方面是電動汽車充電時間長，不像燃油車加油即加即走。如果出行前沒有及時充電，在日常行駛過程中發現電力不足，一來不容易就近找到充電樁，甚至剩余電量不支持行駛到充電樁位置，二來充電慢，車主將面臨長時間的等待。

針對電動汽車充電慢的問題，技術人員也在積極尋求解決辦法，很多新推出的純電動車都搭載了快充技術。普通慢充是按照8小時充滿設計的，而電動汽車的快充技術可以在幾十分鐘內將電池充電到80%。快充技術給城市電動公共交通的運行帶來了極大便利，但在私家電車領域只有小規模的應用。不少消費者認為快充技術會對電池造成損傷，其實快充技術在使用大功率充電至80%后，為了保護電池安全，會減小充電電流直至充滿，只要使用符合國家標準的充電樁，電池的使用壽命不會受到明顯影響。

而針對公共充電樁網點少的問題，目前電動汽車的推廣重點落于一二線城市，隨著新能源汽車戰略的逐步推進，電動汽車的基礎設施建設包括公共充電樁和汽車維修點，在全國范圍內也必然呈現數量上的劇增和分布上的均衡。

2.1.2 低溫充能問題

正如發動機是燃油車的心臟，動力電池也是電動汽車的心臟，電動汽車的性能很大程度上受到動力電池性能的影響。動力鋰電池作為一種電化學裝置，其性能受溫度的影響很大，尤其在低溫環境下，性能下降尤為顯著。中國是一個幅員遼闊的國度，很大一部分國土處于中緯度地區，氣旋活動頻繁，季節變化明顯，北方地區寒冷的冬季甚至可以達到5～6 個月，因此目前電動汽車在北方地區難以推廣。

以普通鋰電池為例，充電時，正極上的鋰原子分解成鋰離子和電子，電子通過外電路到達負極，鋰離子通過隔膜層到達負極；在負極，鋰離子與電子結合變成鋰原子。放電時反應剛好相反，負極中的鋰原子分解后在正極復合。鋰電池的充放電過程實際上就是鋰離子不斷嵌入和脫出正負極、并在電解質溶液中不斷進行交換的過程。

圖2 鋰電池充放電工作原理圖

電解質溶液作為傳遞媒介，起著輸送離子傳導電流的作用，鋰電池在低溫環境下容量驟降也是電解質溶液的性質導致的。為了保證鋰電池能穩定工作在較高的工作電壓下，鋰電池的電解質溶液一般選擇導電鋰鹽的非水有機溶劑，而低溫環境下，電解質溶液的粘度會明顯增大，甚至有一部分電解質變成固體形態，增大了鋰離子在電解質溶液中移動的阻力，這也就導致了鋰電池內阻增大、容量下降等問題的出現。

針對此問題可以采取的措施有內部措施和外部措施，內部措施包括改良電解質溶液的成分，降低電解質溶液的凝固點，從而改善鋰電池的低溫性能，同時也可以研發低溫下擴散能力不會顯著下降的正負極材料，維持低溫條件下鋰電池內部鋰離子交換傳導的進行。外部措施包括加裝輔助加熱裝置，在給電動汽車充電前，先用輔熱裝置將電池溫度加熱到預設值再進行充電操作。這是目前解決低溫充能問題的主流策略，但缺點是增加額外裝置會增加電動汽車的整車重量，增加成本，并且也增大了動力電池系統的復雜性，不利于檢修維護。應對低溫充能問題，學者們還提出了利用充電時電池自身產熱的原理進行低溫充電的方法[2]。實驗表明鋰電池系統在低溫環境下可以用較小的電流充入電量，并且小電流充電也可以使鋰電池系統的溫度有明顯的回升，低溫環境下電池系統的升溫可以使系統維持在正常的溫度范圍但又不至于過高。

2.2 安全感風險

安全感風險是指電動汽車在使用過程中由于電池系統故障而導致的危及乘客生命安全的風險，電動汽車起火、爆燃的事故報道無疑會降低消費者對電動汽車的信任感，據統計電動汽車的事故大多與動力電池有關。首先電池本身的質量直接決定了電動汽車使用的安全系數，鋰是一種活潑金屬，在鋰電池的生產和檢驗過程中必須嚴格把關，合格的產品才能流入市場。另外鋰電池對工作溫度要求很高，最佳的工作溫度范圍為20～40℃[3]，超出這個溫度范圍就會影響其使用壽命和工作性能，低溫時會發生上述充能問題，而高溫時則會引發更加嚴重的熱失控現象。

2.2.1 電池泄露問題

如果動力電池發生泄露，電池中的電極材料及電解質溶液的外泄極易引發車輛自燃，并且伴隨大量有毒汽液的滲出，引起更大范圍的火災。鋰電池的制作流程包括合漿、注液、化成/ 脫氣、泄漏檢測等多重環節，泄露檢測環節尤為重要，它關系著電池出廠后能否長期穩定地安全運行。封裝完畢的鋰電池可以釋放出O2、CO2、H2等氣體，然而我國目前尚未形成統一的針對封裝完畢的鋰電池氣體泄漏率的合格標準，因此在新能源汽車戰略推進過程中要進一步推動完善各項標準，為電動汽車的安全運行保駕護航。

2.2.2 熱失控問題

熱失控就是指由各種誘因引發的電池溫度積累性增強的一種鏈式反應現象，熱失控散發出大量熱量和有害氣體，會引起電池著火和爆炸。熱失控的誘因主要可以分為以下三類[4]。

一是動力鋰電池過充電引起的熱失控。很多鋰電池熱失控都是出現在充電階段，過充會降低材料的熱失控溫度，特別在電池容量衰減以后常常會處于過充狀態。為了預防“過充電-熱失控”造成的危害，需要更加有效的安全管理，外部保護包括增加過充電保護電路、添加正溫度系數材料和優化電池管理系統控制策略等，內部保護包括改進正負極材料、優化隔膜材料、增加過充保護添加劑和使用氧化還原鉗制劑等[5]。

二是動力鋰電池內部出現短路引起的熱失控。內部短路有可能是因為電池本身存在質量缺陷，如內部出現毛刺；也可能是使用過程中出現了沖擊、碰撞、擠壓等原因。內部短路后電池局部溫度升高，從而出現熱失控現象。針對“內短路-熱失控”風險，需要及時有效的在線診斷[6]，發現故障并切斷風險根源，診斷依據大多選取內短路時不同的電壓表現。

三是動力電池所處環境溫度過高而電池本身散熱不通暢而引起的熱失控。為了保證電池系統良好的散熱，電動汽車的鋰電池包模塊中除了電池，還包括可以實現自由組合的冷卻散熱單體。動力電池常用的冷卻散熱方法有四種，根據工作介質的不同分為液體冷卻散熱、空氣冷卻散熱、相變材料冷卻散熱和熱管冷卻散熱。

3 總結

當下能源形式日益嚴峻，新能源汽車的推廣是大勢所趨，而電動汽車的使用安全問題必然是行業關注的重中之重，必須從生產商產品出廠檢測和消費者使用過程監測兩方面共同保障動力電池安全運行。

表2 國內部分鋰離子動力電池檢測標準[7]

國內現有的動力電池標準主要涉及電動汽車動力性、經濟性、安全性，而對電池材料、內部結構、反應原理和生產過程關注較少。要想長遠發展，必須要盡快建立健全完善的行業標準體系，同時加強從業者培訓，保證動力鋰電池的出廠質量。

消費者在使用過程中要本著對生命負責的態度，做好日常養護，使用適配的充電器、充電樁，安裝各種監測裝置，熟悉報警信號，學習必要的避險操作，提升駕駛電動汽車的安全系數。