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复纳“锂”论|锂电池在电动车及储能行业的安全现状及未来发展趋势

 发布时间:2021-12-03 点击量:498

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锂电池已经成熟应用于 3C 电子产品、电动工具、电动自行车领域,在电动汽车、储能、通讯、可穿戴产品等新领域也有长足发展。


我们也能频繁听到一些危险的声音,关于手机、电脑、充电宝、无人机等电池爆炸的新闻屡见不鲜,特别是具有较大容量锂电池的行业,如电动汽车和电动自行车行业,所面临的自燃风险更大,极易造成人身危险和大量财产损失:


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电动汽车行业


《2020 年电动汽车起火事故分析》中,根据不完全统计,2020 年 1 - 12 月全年被媒体报道的烧车事故共 124 起,其中 7/8/9 三个月的事故数占全年事故的 49%。电动汽车从冒烟到自燃只需要几秒到几分钟不等,甚至会在极短时间发生爆炸燃烧,导致火势迅速蔓延。冒烟时锂电池内部处于高温状态,扑灭外部明火后极易复燃,基本无法人为干预,只能等待电池燃烧完全。


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电动汽车起火事故具有季节高相关性、诱发原因模糊性、全生命周期相关性。夏季是起火高发时段,燃烧后汽车受损严重,很难准确判断诱发原因,且锂电池在使用的前中后期均有起火燃烧的风险。


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常见的诱发原因之一是电池热失控,问题点可能由关键材料、电芯设计、电芯制造工艺因素、系统集成以及实际使用条件导致,如集流体强度或延展度不足,正负极材料稳定性差、正极材料金属异物等杂质混入、隔膜质量差、正负极涂覆不均匀、生产异物引入、低温充电析锂、高温滥用等等。


其中,通过飞纳台式扫描电镜可完成原材料、极片的表征工作,帮助研究性能优异的原材料以及筛选合适的工艺参数,研究循环对正负极材料内部(断面)带来的影响。


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检查负极粉末


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检查极片制成工艺


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极片异物


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循环前中后期的正极材料,离子研磨断面


发展趋势


1. 在新能源电动汽车领域,三元锂电池依然是主流。目前发展趋势是不断提高电池的能量密度,消除里程忧虑,同时通过包覆改性等工艺提高材料稳定性。


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干法包覆的三元材料


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包覆的负极材料离子研磨断面


2. 从安全性出发,磷酸铁锂安全性更优、循环性能好,占据约 30% 的*。


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磷酸铁锂


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3. 宁德时代最近推出钠电池,成本更低、相对更安全,但能量密度不及锂电池。


4. 一种提高安全性的解决方案是固态锂电池,将易燃易膨胀爆炸的液体电解质替换为固态。固态锂电池也是大家攻克的难题,目前处在研发阶段,离实际生产应用为时尚早。


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B. 电动自行车


据报道,今年 1 月到 7 月,全国发生的电动自行车火灾事故已达 6462 起,平均每个月事故超过 900 起,绝大部分事故由于锂电池燃爆引起。


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电动自行车市场发展不规范,杂牌电池、筛选剩下的动力电池甚至是新能源汽车退役锂电池,部分会流入电动自行车的生产厂家,导致问题电池、性能不均一的电池被匹配为电池组流入市场,极容易发生过充现象,导致悲剧发生。一旦燃烧开始,火势汹涌,温度可以达到一千摄氏度以上,释放出大量一氧化碳等有毒气体,甚至发生爆炸点燃周边可燃物品,引发大范围火灾。


发展趋势:近两年,由于事故频发,电动自行车生产厂家开始更多采用安全系数相对更好的磷酸铁锂电池。


碳中和 - 锂电池的机遇与挑战


为了解决环境资源问题,中国预计 2030 年二氧化碳排放量达到峰值,2060 年实现碳中和目标。2030 年非化石能源消费比重达到 25% 左右,风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上。新能源中光伏和风电具有明显的波动性,必须配备储能以确保电网稳定,同时延长发电时间。这代表未来电化学储能市场将进入高速增长。而锂电正逐渐取代传统的铅酸电池占据储能市场,但是安全问题亟待解决。


相比于电动自行车和电动汽车由几十、几百组电池组合,储能电池特别是大型储能电站往往具有极大的体量,如江北储能电站总存储容量 26.86 万千瓦时,同时还采用“梯次利用",将新能源汽车等淘汰下来的“退役电池"进行返厂维修,达到可利用标准后,进行循环使用。该站共利用“旧电池"总容量为 7.5 万千瓦时,相当于 3000 多辆家庭新能源汽车的电池量。


大体量、密集堆放的锂电池对电池安全性和电池监控管理体系均提出了*的要求,需要更为安全的电池设计,进一步加强电池生产管控,同时深入了解电池失效机理,降低危险发生的概率。


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