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特斯拉VS 日产聆风,防止电池自燃的两种思路 | 特约评论

2019-05-17 22:08

来自 :2030出行研究室

作者 :张抗抗

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4月21日上海特斯拉自燃事件,引起的关注是超乎寻常的。次日,一辆蔚来ES8也发生了情况相似的自燃事件,也起到了推波助澜的作用。

截至今日,淡定的特斯拉依然没有发布事故报告。在对此事故进行了初步分析后[1],有4家主流媒体(包括官媒、权威财经媒体、权威证券媒体)联系我征询事故原因的观点。虽然记者们的提问并没有诱导性,但我还是能感受到他们对于电动汽车的严重忧虑,甚至是质疑。

为什么这次事故产生的影响如此之大? 可能有两方面原因:

√ 头部企业事故,引发对技术成熟性的忧虑:国内电动汽车自燃事故并不鲜见,仅2018年就有数十起(见下图),但大家普遍认为事故原因是电芯厂/主机厂技术水平落后导致的。而这次事件不同,特斯拉是全球电动汽车的领头羊,蔚来人称“中国特斯拉”,两个“优等生”都出问题了,那还有谁可以幸免?

√ 静置自燃,而非碰撞/充电自燃:大部分电动汽车起火/自燃事件,通常具有显著的外部因素,例如碰撞、不规范充电、不规范维修。外部因素可以察觉(碰撞后抓紧逃离现场、事故车加强检测)或避免(采用正确的充电方法),而静置自燃看起来像是毫无征兆、无法预防的,这种未知性会强化用户的忧虑、恐惧心理。

▲ 2018年国内电动汽车自燃事故不完全统计

面对记者的提问,我当然不敢瞎讲,保守地回复他们以下三点:

√ 电动汽车的自燃事故率不一定就比燃油车高。关于这一点,马斯克在twitter上也曾抱怨过:燃油车自燃事故也不少,只不过没人关注罢了。当然,如果要系统评估电动汽车与燃油车的自燃风险,还要考虑后果严重程度、预防与扑救难度等多个维度,在权威的研究报告出炉之前,我们还是不要轻易下结论。

√ 是否完全静置自燃尚无定论,需等待事故调研报告。个人认为,“碰撞/不规范充电后,经过一段时间静置自燃”与“完全静置自燃”这二者之间还是要做区分,因为前者可以通过更先进的诊断手段来预防,而后者则棘手得多。根据蔚来官方报告,蔚来ES8自燃属于前者;特斯拉自燃事件的当事车主也提到,事故前进行过一次超充,推测可能是主要原因。

√ “电动汽车优等生都自燃了”这个说法不严谨。除特斯拉、蔚来之外,还有一个低调的优等生从未出现过自燃重大事故,那就是日产聆风(Nissan Leaf),它是比特斯拉更早、累计销量更高的电动汽车,历时9年销售43万辆,从未出现过自燃重大事故。

■ 盘点2010-2018年电动汽车自燃事件

为了减少数据源方面的差异,我从锂电池专家@朱玉龙那里获得两份数据:2010-2018年欧洲与北美电动汽车起火事件统计[5][6]:

√ 欧洲共28起自燃事故,其中:19起由碰撞、外部火源、错误操作导致的;5起确信或很可能与电池无关,而是由机械故障、电气故障或其他系统故障导致的;4起信息不足难以判断;确信为电池内短路而自燃的数量是:0

√ 北美共39起自燃事故,其中:26起由碰撞、外部火源、错误操作导致的(20起碰撞、3起充电、2起纵火、1起不规范维修);9起确信或很可能与电池无关;4起信息不足难以判断;确信为电池内短路而自燃的数量是:0

√ 特斯拉:美国39起事故中,@朱玉龙 溯源了23起[6],其中15起是特斯拉Model S或Model X,比例高达65%;欧洲28起事故中,@朱玉龙 溯源了17起,其中7起是特斯拉Model S,占比41%。(未溯源的美国16起与欧洲6起应该都不是特斯拉,否则肯定会上新闻的,这使得特斯拉事故占比偏高。难怪马斯克幽怨,毕竟人怕出名猪怕壮啊!)

日产聆风:欧洲0起,占比0%;美国2起,占比16.7%。这两起是怎么回事呢?一起是充电桩起火引燃、另一起是山火引燃,均为外部因素,与电池无关。也就是说,在公开报道的自燃事故中,日产聆风可以自信地说:历时9年销售43万辆,零自燃重大事故。

尽管特斯拉势头迅猛,日产聆风还是以43万辆的成绩暂居电动汽车历史销量第一。而且,考虑到日产聆风交付时间较早,若以“所有车辆总行驶时间/里程”来计算的话,聆风应该远高于特斯拉。在这种情况下还能实现零自燃重大事故,可谓是硬成绩!

■ 保障电池安全的两种思路

特斯拉与日产聆风在自燃事故数量上的巨大反差,背后是两者不同的安全思路[7]:

√ 防止电芯热失控发生:在电芯层面尽可能降低单体电芯热失控的风险;

√ 电芯热失控发生后,防止热失控蔓延: 若单体电芯热失控不可避免,则在PACK层面尽可能地阻止热失控蔓延到其他电芯(Cell)、模组(Module)、甚至整个电池包(Pack)。

(两种思路均可行,主要看技术水平高低,没有技术路线熟高熟低之分。)

从下面特斯拉电池组的图中可以清晰地看到,它在电芯热失控发生后,防止热失控蔓延采取的措施:

√ 电芯隔离:电芯间的液冷管路,除了散热降温作用外,也能起到电芯间减缓热传递的作用。

√ 模组隔离:特斯拉通过箱体的框架梁把模组分成独立的舱室,防止单个模组热失控蔓延到相邻模组。上海特斯拉自燃是烧了3个模组,其它没烧。当然,如果不及时喷水降温的话,很可能随着时间推移其他的也会烧掉:框架梁挡得住火焰但挡不住传热啊!

√ 云母板:电池组上方和下方都有一块耐高温高绝缘性的云母板,降低因短路引发电弧引燃高温可燃气的风险。

而日产聆风在防止热失控蔓延方面的措施就少很多。如下图,最新一代的日产聆风电池模组、电芯与电芯之间直接用胶水粘起来,连散热管路都没有,更不用说隔离措施。与特斯拉比起来,这简直是“心大”:如果特斯拉也采用这种布局,估计半小时就烧完了。

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▲ 图片来源[7]

日产聆风敢于进行这样的PACK设计,并不意味着它不重视安全,否则的话,9年43万辆0自燃事故的成绩怎么实现? 恰恰相反,日产聆风之所以敢在PACK设计上如此心大,关键就在于它在电芯安全设计与制造上有十足的底气!

如何提高单体电芯的安全性?

如图所示,锂离子电池的电芯由负极、正极、隔膜、电解液组成。提高电芯安全性,也就是要从这4个方面下工夫。大牛博士冯旭宁,曾在他的博士论文[8]中概括过主要思路:

√ 正极材料:对正极材料进行掺杂和包覆[9],或金属原子替代的方式[10]来提高正极材料的热稳定性。

√ 负极材料:对负极材料进行包覆[11],或通过电解液添加剂提高负极SEI膜的稳定性[12]。以及采用新型负极,如钛酸锂(Li4Ti5O12, LTO)负极[13],合金负极[14]等材料提高负极的安全性能。

√ 电解液:对于电解液采用阻燃添加剂,将液体电解质换成固体聚合物电解质,采用离子液体、电解质盐的替代等方式提高电解液热安全特性,也可以通过在电解液中采用过充保护添加剂来提高电池抗过充的能力。

√ 隔膜:采用高安全性隔膜,通过陶瓷包覆等手段,降低隔膜热收缩率、提高隔膜崩溃温度[15].

在2018年之前,日产聆风的电池来自于旗下AESC公司(Automotive Energy Supply Corporation)。在电芯设计层面,AESC通过增强正极材料的热稳定性、在电解质中添加能使电极表面更不容易发热的特殊添加剂、增加隔膜的耐热性等多种措施,降低电芯的热失控风险。

以上这些都是电化学方面的信息,非常抽象,不容易理解,所以还是讲点形象的吧。下面这个动图就描述了AESC在隔膜上提高安全性的方法:采用 PP-PE-PP 三层复合材料的隔膜,PE更早熔化阻断电流[16]。

▲ 图片来源[16]

采用了一系列的电芯安全设计后,AESC电芯可以更好地应对温度冲击,甚至是针刺试验——针刺试验是非常苛刻地试验,可以很好地反映电芯的安全水平。考虑到大部分电芯都通过不了,最后国标GB/T 31485-2015都没加入针刺试验内容。

一个Youtube上流传很广的试验视频可以直观地说明AESC电芯在温度冲击与针刺试验下的表现。当然,视频中并非最新的NCM811电池,在能量密度更高的NCM811电池上,AESC需要考虑更多的安全设计问题。

相对于其他电芯厂,AESC还有两个特点:

√ 电芯厂与主机厂紧密合作:AESC与日产紧密合作十年,积累了大量数据与行业知识。如果没有与日产的特殊关系,普通电芯厂不可能拿到如此深入的数据。

√ 制造经验与质量管理:例如,在电芯制造层面,每一块电芯就具备超过2千个数据采集点。这样可以有效地降低电芯的不一致性、尽可能降低电芯安全风险。

■ AESC花落中国

在《群雄逐鹿or一统天下?锂电行业趋势浅见》[18]中曾提到,经过艰苦卓绝的竞争,中国的锂电池产业终于赶超日韩,扬眉吐气了。 而今天从安全的角度分析之后,日本又杀出个劲敌AESC,不禁又生出一些忧虑。

实际上这个忧虑是多余的,因为日产AESC已经在2019年正式出售给了中国的远景集团,改名为远景AESC,成为一家地地道道的中国企业了。远景AESC在股权上与主机厂切割之后(日产汽车还持有20%的股份),但也有利于拓展更多主机厂客户,将技术优势发挥出来,有望成为中国锂电产业格局中的一匹黑马。

特别值得一提的是,远景AESC的电芯不仅可以供给主机厂,还能通过物联网及大数据技术更有效地切入储能业务,实现电池能量+功率价值,同时将电动汽车产业与其他新能源产业结合起来,实现多赢局面。关于电动汽车与新能源如何互动,参见我之前写的一篇科普文章《电动汽车入网技术(V2G)是什么,目前有什么研究或者是应用》[19]。

 

作者简介:

张抗抗,清华大学2004级汽车工程系本科、博士,期间在清华大学经管学院拿到本科第二学位。博士毕业后就职上汽乘用车功能安全工程师,2015年选择自主创业,目前为北京紫晶立方科技有限公司联合创始人。

 

[1]https://www.zhihu.com/question/321156142/answer/659234230

[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/38317271

[3]https://www.zhihu.com/question/53163627/answer/498262309

[4] GB/T 31485-2015, 电动汽车车用蓄电池安全要求及试验方法[S].

[5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/62425854

[6] https://zhuanlan.zhihu.com/p/62551413

[7] https://mp.weixin.qq.com/s/ROyWHMXvbHNQarIh3-xXcQ

[8] 冯旭宁. 车用锂离子动力电池系统热失控机理、建模与防控研究[博士学位论文]. 北京: 清华大学, 2017.

[9] 杨占旭. 高安全性锂离子电池正极材料的制备及性能研究[博士学位论文]. 北京: 北京化工大学, 2009.

[10] Zhou Fu, Zhao Xumei, Jiang Junwei, et al. Advantages of simultaneous substitution of coin Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 by Ni and Al [J]. Electrochemical and Solid-state Letters. 2009, 12(4): 81-83.

[11]Jung Y S, Cavanagh A S, Riley L A, et al. Ultrathin direct atomic layer deposition on composite electrodes for highly durable and safe Li‐ion batteries [J]. Advanced Materials, 2010, 22(19): 2172-2176.

[12] Zhang S S. A review on electrolyte additive for lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2006, 162(2): 1379-1394.

[13] Yao Xiaolin, Xie Song, Chen Chunhua, et al. Comparisons of graphite and spinel Li1.33Ti 1.67O4 as anode materials for rechargeable lithium-ion batteries [J]. Electrochimica Acta, 2005, 50(20): 4076-4081.

[14] Chan C K, Peng Hailin, Liu Gao, et al. High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires[J]. Nature Nanotechnology, 2008, 3(1): 31-35.

[15] Shi Chuan, Zhang Peng, Huang Shaohua, et al. Functional separator consisted of polyimide nonwoven fabrics and polyethylene coating layer for lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2015, 298: 158-165.

[16] https://zhuanlan.zhihu.com/p/64267134

[17] https://www.youtube.com/watch?v=Jz37WycW-7E

[18] https://zhuanlan.zhihu.com/p/52937705

[19]https://www.zhihu.com/question/28866374/answer/85703111

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