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杨裕生院士:应重视磷酸铁锂电池发展

作者:杨裕生  来源:中国汽车报  发布时间:2018-9-4 13:49:54

中国储能网讯:近些年,电动汽车的快速发展带动了动力锂离子电池的发展。作为电动汽车的动力来源,电池性能的好坏不但关系到整车续驶里程的长短,而且关系到产品的安全性和可靠性。可以说,动力电池的发展决定着纯电动汽车的未来。

一、电动汽车必须把安全性放在第一位

在众多新能源车型中,我国给予纯电动汽车的补贴最高,而且补贴与纯电动里程挂钩,于是近些年在我国出现了一阵“人造三元风”。在政府部门倡导电池比能量指标一年更比一年高的情况下,三元材料中镍钴锰的组合由安全性尚可的333,一步一步地迈向523、622、811。随着镍量的增加,在材料比容量提高的同时,电池的热失控温度和安全性逐步下降。在另一种镍钴铝三元材料中(特斯拉所用),镍的份额也占八成,同样存在类似问题。

说“三元风”是“人造”的,是因为它不是因技术优势自然形成的,而是片面追求纯电动长里程政策引导的结果。大风起兮尘飞扬,连一向坚持“铁电池”的大企业也被迷了眼,成了“跟风者”。当然,这也不难理解,毕竟企业要生存需要逐利。这也从另一个角度证明,政策力大无穷,不管什么方向的风,要刮就能刮起来。

同时,纯电动汽车的里程指标正在追赶传统燃油车,除了使用高比能电池外,还导致过度多装电池。这两个因素叠加,使电动汽车的安全性更受威胁,事故频发。工信部曾一度放话,要求暂停使用三元锂离子电池,但在强大的三元“队伍”的强烈呼吁下最终不得不作出妥协,同意乘员少的乘用车可用三元锂离子电池,三元锂电池客车在通过热失控试验和热失控扩展试验测试的前提下,也可申请推荐目录。

用三元锂离子电池的乘用车,乘员少就能安全逃生吗?且看近期发生的事故。今年5月初,美国佛罗里达州发生一起特斯拉Model S以每小时90英里(约合144公里)的速度撞墙后立即起火事件,车内前排两人在大火中不幸遇难,坐在后排的一人被甩出车外受伤。5月10日,在瑞士南部的高速公路上,一辆特斯拉Model S撞上中央隔离带,车辆翻转、起火,一名德国驾驶者被困在车内烧死。一周之内,两起特斯拉电动汽车起火事故,三人丧生。可见,三元锂离子电池火势蔓延太猛,乘用车里的乘员自己来不及逃生,别人也难以救助。

面对多次失火事件,特斯拉表示传统汽车碰撞也会燃烧。这是典型的强词夺理。更何况,传统汽车碰撞而不燃烧的情况比比皆是。

我国也发生过多起电动汽车燃烧事件,虽然频度不及特斯拉,但不能据此得出我国的三元锂电池比特斯拉的三元锂电池更安全的结论,而应考虑的因素是,我国大多数电动乘用车的里程和电池量比特斯拉少,上高速公路的比例不及特斯拉高,而且我国高速公路限速120公里/小时。作为载客量大、乘客逃生需时长的电动客车,更应该高度重视产品的安全性。

笔者认为,对电动汽车来说,不论是商用车还是乘用车,都事关人命,必须把安全性放在第一位,其他问题为之让路。

二、动力电池的安全性极其关键

电动汽车的安全性主要取决于动力电池的安全性。

电池组像汽油箱那样,是一种含高能物质的部件。锂离子电池中的电解液是用有机溶剂配制而成,其易燃的程度不亚于汽油。正极的氧化剂和负极的还原剂只隔一层微米级厚的隔膜,内短路则生热;充放电时,电池内阻也生热。在达到一定温度时,正极上的氧化剂可与电解液发生化学反应。大量的化学反应热会造成热失控,产生大量气体,导致气压升高、电池破裂,继而出现车辆燃烧、爆炸情况。

正极的氧化剂不同,电池发生热失控的温度也不同。使用热失控温度越低的正极材料,电池的安全性越差。特斯拉用的三元锂离子电池,热失控温度不足200℃,尤其是三元材料在达到一定温度时还会分解释放出极活泼的初生态氧,即使在没有外界氧气供应的情况下,这种电池内部就“完整地具备”燃烧三要素。试想,其安全性能高吗?这也是三元锂离子电池起火后,火势蔓延迅速且难以扑灭的原因。

相比之下,磷酸铁锂分子里的氧被牢固地束缚在磷酸根中,很难成为助燃剂,磷酸铁锂电池的热失控温度要高得多,其安全性高得多。现在,磷酸铁锂单体电池比能量已提升至180Wh/Kg,电池包比能量已达到151Wh/Kg,其功率型电池的性能完全能满足增程式电动汽车的需求。

我国有发展磷酸铁锂电池的优势。由中国电池工业协会牵头,成功申诉三家外资企业磷酸铁锂电池专利无效,从而让中国磷酸铁锂电池产业彻底摆脱国外专利束缚,为我国发展新能源汽车扫除阻碍;我国众多企业掌握微纳结构碳包覆技术,弥补了材料电导率不高的缺点;我国已建立完整的材料生产链,价格日趋合理;电池生产水平不断提高,产品性能稳定。笔者认为,磷酸铁锂电池应成为动力电池的发展重点,应鼓励继续研究、提高产品性能。

同时,笔者认为,电力系统的规模储能用三元锂离子电池也不可取,甚至用锂离子电池也值得商榷。打个比方,这就像一座堆满燃烧弹的活火山。去年我国山西省有两座2MWh调频电站起火,用的就是三星公司的三元正极18650锂离子电池。虽然火灾起因尚在论证,有人认为可能不是电池而是电气部分的原因,但无可争辩的事实是电池烧完了。如果换成不含有机溶剂的电池,情况就不会这么惨烈。今年7月,韩国风电场的4MW/12MWh储能电站起火并爆炸,据报道,这是该国第四个发生燃烧事故的三元锂离子电池储能电站。这些事故应该引起我国锂离子电池储能电站决策者和建设者们的警惕和深思。

三、增程式电动车与磷酸铁锂电池是绝佳配对

增程式电动车是指纯电动汽车上加装增程器(任何一种发电装置),通过在车上发电增加行驶里程。这类车的优点突出:电池组不会过充和过放,寿命延长,安全性高;电池少,补贴退坡、取消的影响小,易于市场化;城市工况下比燃油车节油50%以上,更为省钱;可以不外接充电,少建充电桩,且能远距离行驶;如有充电条件,城市百公里内节油率80%以上;可沿用燃油车的生产、加油设施,便于发展;新近提出的发电直驱增程式电动汽车,可免去大电流的充电和放电,不仅更节能(油),而且电池寿命更长。

如果把安全性高的磷酸铁锂电池用于增程式电动汽车,不但能够提高车辆的安全性,而且比能量、比功率完全够用,使用寿命长。此外,我国锂资源丰富,不存在钴、镍资源受制约的问题。

所以,我国应将磷酸铁锂电池作为发展重点,使之有力地支持增程式电动汽车的市场化,它可以有效免除纯电动汽车的里程、安全、价格、充电、后续电池五大焦虑。

有人认为,增程式还是要烧油,不是发展电动车的最终目标。言下之意,发展增程式电动车意义不大。对此,笔者想着重强调两点。

一是如果我国汽车的油耗能降一半以上,年节油近2亿吨,这有助于环境改善、提高能源安全。

二是纯电动汽车未必是最终目标。我们要以节能减排为标准,考评各条技术路线。未来,增程式电动车的发动机很有可能不烧油而烧醇类,类似现在巴西的汽车烧乙醇。醇类由太阳能生物质转换而来,不增加CO2排放,如果再加上发展热效率很高的发动机,我国汽车的节能减排将取得很大突破。

所以,笔者认为,增程式电动车并不是“向纯电动汽车的过渡”,而是未来车辆的主力。尤其是增程式电动车和磷酸铁锂电池配对,更是如虎添翼。

(作者系中国工程院院士)

关键字:磷酸铁锂电池

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