電動車連環(huán)起火“沉思錄” 高鎳電池如何跨越安全門檻？
時間:2018-09-10 09:27來源:高工鋰電網(wǎng) 作者:綜合報道
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接連頻發(fā)的電動汽車起火事故，讓動力電池的安全問題又一次推到了輿論的風口浪尖。
高工鋰電初步統(tǒng)計，就在過去的短短一周之內(nèi)，已經(jīng)接連發(fā)生近10起電動車起火事件，而進入2018年以來，國內(nèi)大大小小電動車起火事故已經(jīng)超過50起，涉及客車、物流車、乘用車等不同車型，且有不斷蔓延增長的趨勢。
8月19日，深圳龍華區(qū)觀瀾中心花園附近，一輛純電動微面發(fā)生起火燃燒；8月25日位于成都的威馬研究院園區(qū)內(nèi)，一輛威馬EX5電動車突然起火自燃；8月26日晚，安徽銅陵市一輛安凱純電動公交車爆裂起火自燃；8月31日，廣州市一輛力帆650EV純電動轎車起火自燃；9月4號深圳市平湖華南城附近一輛純電物流車起火自燃……
不僅是在國內(nèi)，國外類似事件也正在增多，這其中，最受關注的就是特斯拉，今年3月，美國一輛ModelX撞車起火，結果導致一名蘋果工程師死亡；今年5月，還是美國，三名青少年駕駛一輛ModelS發(fā)生車禍，汽車起火，導致2死1傷……
必須正視的是，全球電動化的大趨勢下，安全隱患已經(jīng)成為全行業(yè)無法繞開的一個“不定時炸彈”。
就在上周召開的泰達汽車論壇上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高一針見血的指出，純電動車面臨的最大風險，就是電池安全性。
事實的確如歐陽明高所言，從國內(nèi)來看，受到政策“指揮棒”導向，能量密度成為動力電池企業(yè)的一致追求，進入2018年，更高能量密度的高鎳體系材料導入正成為主流企業(yè)的共同選擇，而如何在導入新體系時，把控好安全這個大前提，是動力電池企業(yè)的“頭等大事”。
“從全球的大趨勢來看，盡管高鎳體系已成為一致共識，并且日本松下的NCA圓柱18650電芯在特斯拉上已有批量規(guī)模化應用。但是像三星、LG這樣的企業(yè)，有意放緩其高鎳產(chǎn)品的量產(chǎn)時間表。這背后釋放的一個潛臺詞是，在高鎳體系之下，安全問題依然還沒有被完全攻克，這需要全行業(yè)保持警醒。”廣東邁納科技有限公司(下稱“邁納科技”)總經(jīng)理劉橋向高工鋰電如是判斷。
梳理分析接連發(fā)生的電動汽車起火事件，大部分原因都指向了電池，而對于電池熱失控的原因進行追溯，則包括過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等關鍵因素，涉及到電芯級規(guī)格選型、材料控制、生產(chǎn)制造品質(zhì)控制、模組及pack級的安全防護、使用環(huán)節(jié)操作等多個層面的原因。
對于電池企業(yè)而言，要保障電池安全，首先應該關注的是防范因內(nèi)短路觸發(fā)熱失控，這其中，最為關鍵的是要從材料、工藝、制造環(huán)節(jié)來規(guī)避因為電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等造成的電芯內(nèi)短路。
而作為電池制造的第一個環(huán)節(jié)，正極材料的選擇最為關鍵。
“核心材料的選擇對于最終的電芯產(chǎn)品安全會直接產(chǎn)生影響。”劉橋向高工鋰電介紹，電芯的安全很大程度上取決于核心材料，尤其是對于高鎳三元體系而言，正極材料的金屬異物含量、殘余鋰以及PH值，會對電芯的安全性能影響非常大。尤其是風頭正勁的軟包電池，高鎳化應用除了生產(chǎn)環(huán)境濕度控制(Rh小于10%)外，對材料的殘留鋰/PH值/金屬異物控制要求會更高。
首先，正極材料的金屬異物含量越高，電芯自燃安全性風險就越高。但事實是，國內(nèi)很多正極材料及電芯廠家并沒有形成一種標準化的流程和方法來監(jiān)測金屬異物，很難對材料中金屬異物含量進行真實性地評價。
據(jù)了解，正極材料中的金屬異物一般分為磁性金屬粉、非磁性金屬粉、弱磁性金屬粉三類。
其中，磁性粉(Fe)是引起電芯自燃的主要原因之一。國內(nèi)的材料廠主要是通過除鐵器去除Fe雜質(zhì)，但實際上僅采用除鐵器的方法控制材料中殘余Fe的含量是不夠的，像含氧化鐵弱磁性粉就很難管控好。
另外，Cu、Zn等非磁性金屬粉也是引起電芯自燃的重要原因。而非磁性金屬粉混入正極材料中，材料廠和電芯廠是無法檢測出的，且Cu、Zn等非磁性金屬粉在電芯使用循環(huán)過程中一定會產(chǎn)生枝晶。由于枝晶逐步生長刺穿隔膜從而導致正負極短路，電芯內(nèi)部急劇發(fā)熱從而導致發(fā)生燃燒起火。
同時，弱磁性金屬粉也是引起電芯自燃的主要原因之一。在正極材料當中，國內(nèi)的材料廠家能截留住的并不多，譬如含鐵弱磁性金屬粉的含量是很難檢測出。
除了金屬異物，正極材料的殘余鋰也是引起電芯安全熱失控不可忽視的因素，正極材料的殘余鋰在偏高的情況下，會造成電池廠在勻漿的過程中出現(xiàn)果凍狀等不利因素而影響料漿涂布，且殘余鋰在電芯的循環(huán)使用過程中，會增加副反應發(fā)生的程度。
同時，正極材料中的碳酸根離子含量在偏高的情況下，對電芯的高溫儲存、高溫循環(huán)方面有不利影響。碳酸根離子在電池高溫循環(huán)過程中，部分會分解產(chǎn)生二氧化碳氣體，從而造成電池內(nèi)壓增大甚至發(fā)生氣脹乃至爆炸。
對比國內(nèi)外企業(yè)對于上述幾個環(huán)節(jié)控制的關鍵指標來看，GGII的結論是：國內(nèi)主流企業(yè)都還面臨不小的問題，與日韓企業(yè)還存在明顯的差距。
劉橋介紹，從松下、三星、寧德時代等國際高端客戶的需求來看，在保證容量與循環(huán)等基本性能的情況下，其對于核心關鍵指標也有嚴格的要求，譬如殘留鋰需要控制2000ppm以內(nèi)，PH值11在以內(nèi)，金屬異物在20ppb以內(nèi)。然而，國內(nèi)的現(xiàn)狀是，大多數(shù)材料廠家：殘留鋰指標可能超過3000ppm，PH值指標在11.6左右，金屬異物指標超過100ppb，尤其對于高鎳三元動力級材料，國內(nèi)材料廠的指標基本上無法滿足客戶的全部要求。
也正是看到目前國內(nèi)的材料環(huán)節(jié)存在的現(xiàn)實瓶頸與難題，劉橋于2016年籌建了邁納科技，擁有一支技術積累深厚的高鎳三元材料產(chǎn)業(yè)化技術合伙人團隊(具有中/日/德背景)，團隊成員均有豐富的產(chǎn)業(yè)化研究和實踐經(jīng)驗。公司的發(fā)展目標是致力于成為國內(nèi)高端鋰電材料供應商，為客戶合作定制開發(fā)高鎳三元材料產(chǎn)品，滿足客戶在性能、成本及供應上的要求，特別是對材料安全性能的要求。
高鎳體系電池的產(chǎn)業(yè)化，材料是第一步，而材料安全則是邁開第一步必須要解決的一道坎，這也是邁納科技參與市場競爭的核心利劍。
劉橋介紹，基于團隊成員在鋰電領域多年的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，對標日本技術工藝，從材料的廠房設計、設備選擇、工藝控制上提出了針對性的解決方案，以此確保材料的真正安全性，性能最佳。
(1)廠房定制-正壓+無塵車間
通過防潮解處理，正壓車間設計，人流物流分離等進行異物控制。
(2)特殊處理-關鍵設備全部定制
通過對窯爐等關鍵設備進行定制和原材料預處理，能夠確保氫氧化鋰和前驅(qū)體在高溫窯爐中能夠更完全地參與反應，從而使材料表面殘余鋰達到更低水平。
(3)獨特的水洗工藝
在工藝控制上，其采用了獨特的水洗工藝，將水洗過程中水分對材料的破壞程度做到最小，容量與循環(huán)性能最大限度地保持，而又能顯著去除材料表面殘余鋰，能夠?qū)⒉牧系臍堄噤嚳偤靠刂频?500ppm水平以內(nèi)，PH值控制在11以內(nèi)。
(4)金屬異物管控技術
在金屬異物的管控上，邁納科技的思路是，以外部不引入，內(nèi)部不產(chǎn)生的原則進行管控。創(chuàng)新性地設計正壓無塵車間，嚴格控制工廠內(nèi)部人流和物流分離。采用更合理的生產(chǎn)工藝流程，且對關鍵設備進行定制，可將材料的金屬異物總含量控制到20ppb以內(nèi)。劉橋表示，對于非磁性金屬粉導致的電芯燃燒，我們在材料環(huán)節(jié)是可以杜絕的。
總而言之，邁納科技通過自己獨特的核心技術工藝，在滿足材料本身容量，循環(huán)等基本指標情況下，能顯著降低材料的殘余鋰含量與PH值，并將金屬異物含量控制到非常低的水平，確保材料的真實性評價與批次穩(wěn)定一致性。
基于上述思路和產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗，截至目前，邁納科技小試階段材料樣品已達到國際領先水平。客戶測試數(shù)據(jù)顯示，其樣品制備的半電池在0.1C，2.75V-4.2V情形下，克容量可達210.8mAh•g-1；全電池在25℃常溫循環(huán)560周的容量保留率為95.8%，材料循環(huán)壽命在2200周(80%保留率)；45℃高溫循環(huán)540周的容量保留率為87.7%，材料循環(huán)壽命在850周(80%保留率)；-20℃低溫，0.5C放電時，其容量保持率70%。
高工鋰電獲悉，目前，邁納科技正在進行融資，且與項目落戶地區(qū)政府已達成初步合作協(xié)議，在浙江籌建一期年產(chǎn)8000噸動力鋰電NCM811/NCA正極材料產(chǎn)線。
“高鎳時代，安全將始終是車企和電池企業(yè)必須時刻警醒的達摩克里斯之劍，從材料-電芯-模組-pack-車，每一個環(huán)節(jié)的疏忽都可能導致不可挽回的損失，而作為正極材料企業(yè)，在材料端保證原材料的安全，消除影響安全的不利因素，同時保證產(chǎn)品性能，這將會成為高端電池企業(yè)選擇供應商的核心考量因素，邁納科技信心十足。”劉橋自信的表示。
(責任編輯：子蕊)
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