文章開始前，先問大家一個(gè)問題：我們?yōu)槭裁匆ヌ岣唠姵啬芰棵芏龋看鸢钙鋵?shí)很簡(jiǎn)單：焦慮，準(zhǔn)確的講是里程焦慮。我們希望通過能量密度的提升來獲得更高的續(xù)航里程。

動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)所用電池的能量密度非常高。例如，磷酸鐵鋰離子電池的能量密度可以達(dá)到120Wh/kg。當(dāng)轉(zhuǎn)換成焦耳時(shí)，1kg的磷酸鐵鋰離子電池包含120×3600焦耳=0.43mj。那么TNT釋放了多少能量呢?一克TNT可以釋放4184焦耳的能量，相當(dāng)于一公斤磷酸鐵鋰離子電池所含的能量相當(dāng)于103克TNT。

一輛純電動(dòng)汽車，其使用的一般重量為幾百公斤的電池，100公斤的電池計(jì)算，總能量相當(dāng)于10公斤的TNT炸藥。改變的是誰，心里會(huì)發(fā)毛，這件事不會(huì)穩(wěn)，會(huì)火，甚至?xí)?

在國(guó)家政策的扶持下，我國(guó)動(dòng)力電池取得了很大的進(jìn)步，關(guān)鍵性能指標(biāo)提高、成本下降，電池成組、BMS（電池管理系統(tǒng)）技術(shù)取得了一定的進(jìn)步。按照科技部部長(zhǎng)萬鋼給出的數(shù)據(jù)，目前純電動(dòng)乘用車產(chǎn)品的續(xù)駛里程高于400公里的比例達(dá)到 80%以上。但是在這樣的成績(jī)的背后仍存在許多疑問：目前鋰電技術(shù)存在哪些問題？未來動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)是什么？高比能材料研究進(jìn)展如何？

電池安全問題

為了提高車輛的行駛動(dòng)力，動(dòng)力鋰電池的直流輸出電壓一般大于100V，有時(shí)高達(dá)400V以上，一定要有電氣知識(shí)的人了解，直流電壓大于60V，是危險(xiǎn)電壓。

每年，由于漏電休克的電器、電線、電力設(shè)備等構(gòu)成的東西，會(huì)突發(fā)很多，也經(jīng)常在媒體上看到。小時(shí)候，我被220V外露的電線嚇了一跳，那種味道我永遠(yuǎn)也忘不了。因此，我們也有理由懷疑電動(dòng)汽車的高壓帶電部件是否會(huì)泄漏并引起電擊。

汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任歐陽明高院士認(rèn)為，應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池安全問題，要從本征安全、主動(dòng)安全、被動(dòng)安全三個(gè)方面來解決。

所謂本征安全，就是說電池安全是設(shè)計(jì)出來的、制造出來的，所以必須從設(shè)計(jì)、制造的角度，從根子上來提高安全水平。這就是本征安全，有的人也叫“本質(zhì)安全”。

“我們以前設(shè)計(jì)電池，對(duì)電池發(fā)生熱失控的機(jī)理并不是很熟悉，尤其是當(dāng)材料體系發(fā)生變化的時(shí)候。比如以前我們對(duì)磷酸鐵鋰電池還是清楚的，對(duì)三元電池在333、523時(shí)候也還是清楚的。”歐陽明高說，“但是到了622、811的時(shí)候，很多機(jī)理都發(fā)生變化，對(duì)新的機(jī)理需要進(jìn)行科學(xué)研究和解釋。我可以告訴大家，現(xiàn)在對(duì)高鎳三元電池?zé)崾Э貦C(jī)理，從科學(xué)層面上基本上搞清楚了。”

對(duì)于中國(guó)動(dòng)力電池故障多發(fā)的情況，歐陽明高認(rèn)為，中國(guó)新能源汽車保有量大，出問題早，對(duì)于安全的防護(hù)也應(yīng)該能最早探索出來。然后，“我們需要利用這些科學(xué)的原理把它實(shí)施到設(shè)計(jì)中，尤其是落實(shí)到制造過程中。”

比能量每公斤250瓦時(shí)以下的電池安全性基本沒有問題，重點(diǎn)攻關(guān)的是300瓦時(shí)/公斤的高鎳三元電池。“因?yàn)殡姵乇饶芰吭礁撸瑢?duì)安全設(shè)計(jì)的要求越高，技術(shù)門檻也高。當(dāng)初攻關(guān)目標(biāo)300瓦時(shí)，今年大家都做出來了，都是能達(dá)標(biāo)的。但在實(shí)驗(yàn)室做出來能達(dá)標(biāo)，并不等于大批量生產(chǎn)的質(zhì)量控制完全能達(dá)標(biāo)，還需要一個(gè)過程，預(yù)期這兩年可以做到。”

在主動(dòng)安全方面，其控制、監(jiān)控與管理是整車廠承擔(dān)的，但是整車廠對(duì)電池的理解總體上還沒有完全到位，要有一個(gè)過程適應(yīng)。“我想有個(gè)一兩年整車廠的能力就完全上來了，現(xiàn)在走在前面的整車廠已經(jīng)做的很好了。”

被動(dòng)安全方面，主要是熱管理讓電池包不燒起來，“這是我們的目標(biāo)”。

此前，國(guó)家補(bǔ)貼門檻提高，三元鋰和磷酸鐵鋰成為主流，電池能量密度以及整車?yán)m(xù)航里程得到很大的提升，但是在這種增幅背后卻隱藏著危險(xiǎn)——熱失控。

首先簡(jiǎn)單了解一下什么是熱失控（主要是高溫?zé)崾Э兀簞?dòng)力電池在工作的時(shí)候會(huì)發(fā)熱，正常情況下可控，但是在電池溫度過高或充電電壓過高時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)接連發(fā)生，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池?zé)崾Э兀l(fā)生爆炸 or 燃燒。

造成熱失控的原因很多，主要從兩個(gè)方面來說：內(nèi)因和外因。

內(nèi)因：本身材料、制造工藝會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響，使單體電池狀態(tài)（SOC 等）存在差異、電池使用時(shí)間過長(zhǎng)，存在析鋰、隔膜融化等現(xiàn)象造成內(nèi)短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控；

外因就比較多，過充過放、車輛使用老化可靠性降低、充電不規(guī)范、密封不好、碰撞……

為了讓電池可以穩(wěn)定工作，需要對(duì)原材料以及制造工藝進(jìn)行品質(zhì)控制，從內(nèi)部保持生產(chǎn)的一致性；但即便如此也無法完全保證，這就需要 BMS（電池管理系統(tǒng)）從外部來控制電池組的溫度，以便讓電池發(fā)揮最佳效率。

現(xiàn)在的電動(dòng)車為追求高能量密度高續(xù)航，將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池安全造成了一定的安全隱患，很容易造成熱失控，除此之外，國(guó)家補(bǔ)貼政策的快速調(diào)整與動(dòng)力電池系統(tǒng)開發(fā)周期不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)品無法得到充分驗(yàn)證，進(jìn)而產(chǎn)生安全隱患。

如何在提高電池能量密度的同時(shí)保證電池安全，是當(dāng)下需要解決的問題。

從大量的實(shí)驗(yàn)得知，溫度對(duì)電池包內(nèi)部的影響是不能忽視的！為了減少重量及成本, 配件對(duì)材料減薄及實(shí)際保溫隔熱有持續(xù)的需求，然而這對(duì)于材料的可靠性甚至換熱性能都會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)，未來也將通過保溫材料優(yōu)化解決。

車企為保證安全出盡奇招，部分電池包生產(chǎn)商會(huì)通過填充物實(shí)現(xiàn)隔離來防止熱失控蔓延。隔離的目的是阻斷傳播，它包括電池包內(nèi)的隔離，電池包外的隔離。電池包內(nèi)的隔離包括利用縱橫梁對(duì)模組進(jìn)行隔離，利用耐火隔熱材料填充進(jìn)行隔離。根據(jù)分析可大致分為以下兩種：

一、這些結(jié)構(gòu)要能夠耐高溫，導(dǎo)熱率越低越好；同時(shí)，在各自區(qū)域的電池箱下殼體底部和側(cè)面均設(shè)置有云母紙，要求耐溫500-800℃高溫，阻燃UL94V-0。

二、采用耐火隔熱材料，在動(dòng)力電池包與車輛之間建立隔熱屏障，延緩電池箱高溫?cái)U(kuò)散至乘客艙。

而德耐隆Telite®產(chǎn)品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成，產(chǎn)品內(nèi)部具有納米級(jí) 空隙可以減慢熱傳導(dǎo)，提供最低的熱傳導(dǎo)值,抗熱沖擊性優(yōu)異。該纖維氈能夠在壓縮70%后完全回彈，能夠承受自身重量的數(shù)千倍的重壓而不發(fā)生碎裂，過千次壓縮循環(huán)測(cè)試后仍具有很好的回彈性。更重要的是，這種納米氧化硅纖維氈能夠在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性，長(zhǎng)期使用溫度為1200℃。高溫下穩(wěn)定性好，不脆裂。可作為高溫隔熱密封墊，阻隔熱短路，熔融金屬處密封墊,隔離(防燒結(jié))材料領(lǐng)域。

基于相變材料的抑制電池組高溫?zé)崾Э囟畛渲苽淞藷犴憫?yīng)、超強(qiáng)、超薄（1mm）的柔性德耐隆改性耐火隔熱氈復(fù)合材料，用于分級(jí)抑制電芯之間熱失控蔓延。改性耐火隔熱氈中的改性材料在正常條件下具有可靠的導(dǎo)熱性，在高溫下具有較高的熱靈敏度。熱失控產(chǎn)生后隨著電芯的高溫會(huì)引起德耐隆改性耐火隔熱氈的汽化，伴隨吸收大量的熱量，并釋放大量的滅火劑。改性材料釋放后剩余的德耐隆改性耐火隔熱氈，具有超低的熱導(dǎo)率小于（0.02W/m.k），可以繼續(xù)阻止熱量電芯之間傳遞，在一定程度上抑制系統(tǒng)級(jí)的熱失控。因此，帶有這種改性耐火隔熱氈的電池組在正常工作溫度下顯能夠正常熱管理，并且在異常條件下具有很高的阻斷熱失控的能力。此外，它具有可批量化生產(chǎn)、加工性能好、觸發(fā)溫度可調(diào)等特點(diǎn)，可用于制造一系列先進(jìn)、安全、耐用的改性耐火隔熱氈。其應(yīng)用領(lǐng)域甚至可以擴(kuò)充到有關(guān)應(yīng)急材料、空間探測(cè)和消防設(shè)備等。

特性

絕緣電阻：100MΩ（1000v絕緣電阻表）

介電強(qiáng)度：≥2000V/min無擊穿，無閃絡(luò)

耐火焰1200℃（5分鐘不燒穿）、無粉化無癢

符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、在火焰中燃燒時(shí)不產(chǎn)生有毒有害氣體

技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品密度150kg/m³（GB/T5480-2008）

長(zhǎng)期服務(wù)溫度 -200℃至1200℃ （GB/T17430-1998；ASTM C 447）

壓縮強(qiáng)度（變形10%:≥67kPa；變形25%:≥250kPa）

產(chǎn)品憎水率≥98%（GB/T10299-2011）

導(dǎo)熱系數(shù)不高于0.02W/m.k（GB/T10295-2008；ASTM C 447）

加熱線收縮率＜2%@650℃（ASTM C 356）

燃燒等級(jí) A級(jí)（GB 8624-2012）

未來電池的發(fā)展方向

總的來說，目前動(dòng)力電池存在的最主要問題是， 隨著能量密度的提高，熱失控幾率呈上升趨勢(shì)。從整個(gè)發(fā)展規(guī)劃來看，動(dòng)力電池發(fā)展路線將會(huì)是這樣： 正極減鈷到無鈷、負(fù)極加硅、電解質(zhì)減有機(jī)溶劑，逐步向全固態(tài)的方向發(fā)展。在補(bǔ)貼逐漸退出，國(guó)家逐步取消對(duì)續(xù)駛里程、能量密度等細(xì)節(jié)要求之后，技術(shù)的決策權(quán)將回到企業(yè)，市場(chǎng)則會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選擇。