近日，特斯拉、蔚來(lái)、比亞迪等品牌電動(dòng)汽車接連發(fā)生起火事故。鋰電池的能量密度和安全性該如何兼顧？全固態(tài)鋰電池還有多遠(yuǎn)？

1、鋰電池電解液是易燃溶劑，其中的鋰還有正極材料中的鎳、鈷是活潑金屬，暴露在空氣中易燃燒。

2、圓柱形鋰電池正極和負(fù)極間只隔一層微米級(jí)別厚度的隔離薄膜，遭受沖撞時(shí)容易破裂引發(fā)短路。

3、鋰電池的能量密度和安全性存在天然矛盾，因?yàn)槟芰棵芏忍嵘馕吨捎酶呋钚缘恼?fù)極材料，或降低隔離膜的厚度，這兩項(xiàng)做法都將大幅增加電池的危險(xiǎn)性。

4、全固態(tài)鋰電池是未來(lái)的發(fā)展方向，但還需要較長(zhǎng)時(shí)間的科研攻關(guān)。

近日，特斯拉、蔚來(lái)、比亞迪等品牌電動(dòng)汽車在中國(guó)各地接連發(fā)生起火事件。

▲上海特斯拉自燃，火光瞬間照亮整個(gè)車庫(kù)

▲陜西西安：蔚來(lái)ES8維修時(shí)起火 事故原因正在調(diào)查

▲武漢發(fā)生一起比亞迪e5起火事件，官方稱電池?zé)o損壞

盡管特斯拉和蔚來(lái)汽車方面紛紛發(fā)布公告稱“車輛起火原因尚未確認(rèn)，會(huì)在后續(xù)及時(shí)對(duì)外公布調(diào)查結(jié)果”，但這很顯然無(wú)法完全平息雙方在品牌層面遭受的負(fù)面影響，由此引發(fā)的焦慮開始在業(yè)內(nèi)和消費(fèi)者中蔓延。

此次上海發(fā)生自燃的特斯拉型號(hào)為Model S P85，目前已經(jīng)停產(chǎn)。這已經(jīng)不是特斯拉汽車第一次發(fā)生自燃了，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，在全球范圍內(nèi)，特斯拉的電動(dòng)汽車在行駛、碰撞和充電導(dǎo)致的燃燒、自燃及爆炸事故，已經(jīng)發(fā)生超過(guò)50起，甚至被稱為“燒車的冠軍”。

頻頻發(fā)生的電動(dòng)汽車起火事故，將電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的安全問題再一次推向了輿論的風(fēng)口浪尖，為快速發(fā)展中的新能源汽車市場(chǎng)蒙上了一層陰影。為何電力汽車的電池屢屢“過(guò)火”？我們又該如何應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車電池的安全問題？

電池碰撞、靜放電池短路等是主因

電動(dòng)汽車起火事故中，大部分是因電池而起，包括交通事故碰撞、短路自燃等等原因。電動(dòng)汽車的興起源于鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，在廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車之前，手機(jī)和筆記本電池燃燒爆炸的事故早已屢見不鮮，電池的潛在安全隱患似乎已經(jīng)成為電力汽車前進(jìn)發(fā)展的絆腳石。

電動(dòng)汽車除了動(dòng)力系統(tǒng)不同外，底盤、車身、內(nèi)外飾等都與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型并無(wú)區(qū)別。電池是電動(dòng)汽車的主要儲(chǔ)能部件，直接影響到電動(dòng)車的性能。在電動(dòng)汽車上，一個(gè)個(gè)單個(gè)的電池芯組成電池，一定數(shù)量電池被組合到一起形成電池模組模塊。

由于車輛上裝載電池的空間有限，運(yùn)行所需的電池模組數(shù)目也較大，電池會(huì)以不同倍率放電，并以不同速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時(shí)間累積及空間影響，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。

對(duì)于具體電池起火的情況，清華大學(xué)汽車工程開發(fā)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任宋健介紹，這一般是由于電池內(nèi)部電解液及其分解產(chǎn)物被點(diǎn)燃造成的。

宋健介紹，從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，鋰離子主要做兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)叫嵌入，一個(gè)叫脫出。不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。“內(nèi)燃汽車的油箱，僅僅是一個(gè)儲(chǔ)存燃料的地方。而電動(dòng)汽車的電池組不同，鋰電池既是一個(gè)儲(chǔ)能裝置，又是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的裝置。電池在放電過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行著氧化反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為電能，然后輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)。”

宋健指出，鋰電池中電解液是用易燃溶劑配置而成的，鋰電池的充放電過(guò)程，就是電解液中鋰離子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。鋰是一種活潑金屬，電池內(nèi)的鋰如果暴露在空氣中，就會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈反應(yīng)進(jìn)而燃燒。

為了防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，汽車電池制造商一般會(huì)用多層外殼或塑膜來(lái)封閉電池，使得鋰不會(huì)與氧氣接觸，廠商也會(huì)在電池包外殼包裹堅(jiān)硬保護(hù)殼。不過(guò)，在電池內(nèi)部又是另一番“脆弱”的環(huán)境。中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高指出，鋰電池的正極氧化劑和負(fù)極還原劑之間只隔一層微米級(jí)別厚度的隔離薄膜。目前電動(dòng)汽車廠商為追求高能量密度、高續(xù)航，會(huì)將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池造成了一定的安全隱患。

宋健表示，自己在實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試中就出現(xiàn)過(guò)隔離薄膜破裂的情況。“我們實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，模仿電動(dòng)汽車發(fā)生劇烈碰撞的狀況，電池在一定的碰撞沖擊力和大氣壓強(qiáng)下，薄膜就會(huì)發(fā)生破裂，正極上的氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電池的正負(fù)極就發(fā)生短路了，局部溫度升高，就可能引燃電池的電解液。”宋健介紹道。

電動(dòng)車上的電池都是通過(guò)串并聯(lián)成組工作，單個(gè)電池組（或電池包）發(fā)生熱失控之后，局部釋放的能量向周圍傳播，將可能引起周圍電池的熱失控。數(shù)千顆電池芯間引發(fā)連鎖反應(yīng)，終致電池組全面起火爆炸，釋放巨大能量。所以在極端情況下，一個(gè)小故障就有可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

魚和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然矛盾

當(dāng)前，鋰電池已與我們的生活越來(lái)越緊密，我們的手機(jī)、筆記本電腦里面都有鋰電池。鋰電池指的是電化學(xué)體系中含鋰的電池，由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜材料四部分構(gòu)成。因正極、負(fù)極材料不同，而被區(qū)分成不同種類的電池，如常用的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等，常用的負(fù)極材料石墨、錫基、硅基、鈦基等。

在2016年Model 3型汽車發(fā)布前，特斯拉電動(dòng)汽車采用松下提供的18650型號(hào)的鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時(shí)。特斯拉的MODEL S型汽車上的電池單元一共運(yùn)用了約7千-9千節(jié)18650鋰電池，特斯拉的工程師首先將這些電池以磚、片逐一分配組成電池包，然后平鋪在車身底板上。

早在1991年，索尼公司就發(fā)布了首個(gè)商用鋰電池，同時(shí)索尼公司根據(jù)多年開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮后定下了一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號(hào)：直徑為18mm，長(zhǎng)度為65mm的圓柱形電池——也就是我們今天常說(shuō)的18650鋰電池。之后這種圓柱形的鋰電池徹底革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。小到充電寶，大到汽車，這種圓柱形電池?zé)o時(shí)不刻不在影響著我們生活的方方面面。

今天松下、三星、LG等廠商旗下的的電池工廠仍然在24小時(shí)不停地生產(chǎn)著這種有著近30年歷史的產(chǎn)品。由于18650號(hào)電池的體積太小，無(wú)法通過(guò)工藝控制和原材料角度提高能量密度，降低電池成本，因而特斯拉從Model 3車型開始，使用增大體積的21700號(hào)鎳鈷鋁三元鋰電池，也就是直徑21mm、長(zhǎng)度70mm的圓柱形電池。

三元鋰電池全稱“三元材料電池”或“三元聚合物鋰電池”。它指的以鎳鈷錳（鋁）三元材料做正極材料，以石墨為負(fù)極材料的電池，所以稱之為“三元”。

三元鋰電池的最大優(yōu)勢(shì)在于電池儲(chǔ)能密度高，續(xù)航能力強(qiáng)；其次電池壽命、輸出功率、成本控制都不錯(cuò)，因此特斯拉、比亞迪等國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)商都紛紛選擇采用。但其安全性卻令人擔(dān)憂，宋健指出，三元鋰電池中的三元材料在達(dá)到一定溫度時(shí)，會(huì)分解釋放出極活潑的初生態(tài)氧，即使在沒有外界氧氣供應(yīng)的情況下，電池本身就具備可燃物、助燃物和著火源的燃燒三要素。

三元鋰電池中所含的鎳鈷錳（或鋁）三種金屬元素聚合物，在電池內(nèi)部發(fā)揮了巨大的作用。鎳、鈷是元素周期表中副族中的活性金屬，主要作用是提升電池的體積能量密度，是提升續(xù)航里程的主要突破口，要想電池讓汽車跑得更遠(yuǎn)，那就勢(shì)必要增加鎳、鈷在三元材料中的比值，不過(guò)也必須承擔(dān)兩者化學(xué)性質(zhì)活潑帶來(lái)的安全隱患，魚和熊掌不可兼得。

“三元鋰電池中使用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性就越差。”中國(guó)工程院院士楊裕生曾發(fā)表文章，旗幟鮮明地反對(duì)大力發(fā)展三元鋰電池。楊裕生認(rèn)為，國(guó)家新能源汽車的補(bǔ)貼機(jī)制鼓勵(lì)電動(dòng)汽車搭載高能量密度電池，電池廠商為追逐利益，在缺乏科學(xué)性的情況下，才大力發(fā)展三元鋰電池。

優(yōu)勢(shì)滿滿的全固態(tài)鋰電池發(fā)展緩慢

電池被安裝在空間有限的汽車?yán)铮淠芰棵芏葲Q定了電動(dòng)車的行駛距離，目前電動(dòng)車用的鋰電池能量密度約為 120~150瓦時(shí)/公斤，根據(jù)《中國(guó)制造2025》動(dòng)力電池發(fā)展規(guī)劃：到2020年，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車的電池能量密度將達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，2025年達(dá)到400瓦時(shí)/公斤，到2030年達(dá)到500瓦時(shí)/公斤。

隨著電芯和電池系統(tǒng)能量密度的進(jìn)一步增加，保障動(dòng)力電池系統(tǒng)安全的需求也會(huì)更加強(qiáng)烈，挑戰(zhàn)和難度也將隨之提升。十三屆全國(guó)政協(xié)副主席、中國(guó)科協(xié)主席萬(wàn)鋼也曾公開表示，在發(fā)展電池能量密度的同時(shí)，要將動(dòng)力電池系統(tǒng)電-熱安全作為電動(dòng)汽車發(fā)展最關(guān)鍵的指標(biāo)，從動(dòng)力電池的單體模塊、電池包、電-熱管理以及結(jié)構(gòu)布置等方面綜合考慮，重視材料的穩(wěn)定性、充放電機(jī)制、熱失控防護(hù)和電-熱管理系統(tǒng)。

▲特斯拉汽車的動(dòng)力電池包采用的液冷結(jié)構(gòu)散熱方式（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

電池能量密度的躍進(jìn)對(duì)于電池來(lái)說(shuō)本身就是一場(chǎng)“賭注”，因?yàn)槟芰棵芏忍嵘馕吨枰捎酶呋钚缘恼?fù)極材料，或減少隔離膜的厚度，兩項(xiàng)做法都將大幅增加電池的危險(xiǎn)性。

如何解決能量密度和安全性的矛盾？中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高接受媒體采訪時(shí)候表示，全固態(tài)鋰電池是未來(lái)電池發(fā)展的方向。他介紹，目前業(yè)內(nèi)正在研究一種全固態(tài)電池，不會(huì)發(fā)生刺穿隔膜的問題。

歐陽(yáng)明高院士強(qiáng)調(diào)，這個(gè)詞的每一個(gè)字都不能少、不能變，所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)成分的鋰電池。

全固態(tài)鋰電池由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，代替了易燃的常規(guī)有機(jī)溶劑電解液，電池燃燒問題可以得到有效解決。搭載全固態(tài)鋰電池的汽車，自燃概率會(huì)大大降低，可以說(shuō)是下一代新能源汽車動(dòng)力電池的理想對(duì)象。

不過(guò)歐陽(yáng)明高院士坦承，真正意義上的全固態(tài)鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然是不成熟的。“全固態(tài)鋰電池的固態(tài)界面接觸性是重要的技術(shù)難點(diǎn)，也就是電解質(zhì)與電極之間形成高電阻界面問題，還存在技術(shù)不確定性，未來(lái)還需要較長(zhǎng)時(shí)間的科研攻關(guān)。”

據(jù)悉，包括韓國(guó)三星、日本豐田在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進(jìn)入測(cè)試階段。宋健介紹，盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路還需要進(jìn)一步探究。“目前在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)有全固態(tài)鋰電池的樣品出現(xiàn)，不過(guò)價(jià)格高昂，配備在汽車上，汽車的起售價(jià)動(dòng)輒會(huì)上百萬(wàn)人民幣。”

此外，就儲(chǔ)能性能來(lái)說(shuō)，全固態(tài)鋰電池并非完美無(wú)缺，其最大的一個(gè)缺點(diǎn)就是高倍率放電性能極差，原因就是鋰離子的固態(tài)擴(kuò)散速度比在溶液里擴(kuò)散慢得多。不過(guò)一旦前面這些問題能夠有效解決，必將在未來(lái)掀起一場(chǎng)新的電池革命。