目前，產(chǎn)業(yè)界對鋰電池高比能量的過高追求可能會帶來多個層面的問題，比如在正極材料端，雖然克容量逐漸增加，但是結(jié)構(gòu)/熱穩(wěn)定性卻逐漸降低，過渡金屬溶出情況加劇，尤其是811型。上海蓄熙新能源材料檢測有限公司總經(jīng)理韓廣帥表示：“對于NCM體系，隨著Ni含量增加，NCM體系正極材料的放電容量越高，循環(huán)穩(wěn)定性下降，熱穩(wěn)定性下降。”

 

對于負極材料領(lǐng)域，容量越高，硅或氧化亞硅材料越多，極片膨脹率越大，和電解液間的副反應越多，內(nèi)阻增大。

 

此外，隔膜越來越薄，隨之而來的則是安全風險的增加；電解液分量減少，會使得電池的循環(huán)性能變差，而且電解液粘度變大后，整個電池產(chǎn)品的內(nèi)阻就會增加。

 

從對材料本身的安全性影響角度來看，高比能化會導致正極過渡金屬溶出。Ni、Co、Mn三種元素在循環(huán)過程中都會發(fā)生溶解，在4.6V以上時，三種元素幾乎是以化學計量比溶出的，但是Mn元素的溶解會對鋰電池循環(huán)壽命產(chǎn)生更嚴重的破壞。

 

薄集流體化之后，大電流下、內(nèi)阻大發(fā)熱量高，涂布、輥壓收卷容易出現(xiàn)斷片現(xiàn)象。少粘結(jié)劑會導致活性物質(zhì)易脫落，長循環(huán)接觸內(nèi)阻增大。薄隔膜趨勢之下，會出現(xiàn)單層PE基膜熱穩(wěn)定差，涂層膜內(nèi)阻較大，長循環(huán)后涂層易團聚、脫落等。

 

01

 

高比能“陷阱”？

 

追求極致完美或許是最一般也最隱蔽的“美麗陷阱”。在鋰電池行業(yè)，追求高比能是多方綜合因素下的產(chǎn)物。其中，最直接的就是市場消費需求的倒逼。其次是鋰電池技術(shù)上實實在在的提升以及產(chǎn)業(yè)供給端的迎合。

 

“電動車至少要能跑個500公里以上才考慮購買。”北上廣等一線城市是新能源汽車的主要消費陣地，尤其是北京，新能源汽車的接受度比較高。該北京網(wǎng)友還表示，電動汽車要能滿足日常工作、外出游玩所需的里程，畢竟充電還不是很方便。

 

合眾汽車2019年相關(guān)客戶調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示“消費者愿意接受的續(xù)航里程為300-450公里。”中國電池聯(lián)盟認為，隨著鋰電池比能量技術(shù)的升級，以及固態(tài)電池技術(shù)的商業(yè)化前景趨好，未來一段時間內(nèi)，消費者的普遍續(xù)航需求或?qū)⒎€(wěn)定在500公里左右，200公里以下的車型或?qū)⒅饾u退出。

 

目前，鋰電池技術(shù)創(chuàng)新的確有了很大的提升。從代表性企業(yè)相關(guān)新能源車型動力電池包組的能量比變化看：

 

在磷酸鐵鋰電池領(lǐng)域，2015年，比亞迪e5（續(xù)航256km）電池包組的能量密度比大約為91wh/kg。2020年，比亞迪e3（續(xù)航405km）電池包組的系統(tǒng)能量比提升至大約156wh/kg，提升約71%。

 

在三元電池領(lǐng)域，2015年，北汽EU200（續(xù)航200km）電池包組的電池能量密度大約為96wh/kg。2020年，北汽EU5（續(xù)航401km）電池包組的電池能量密度提升到了大約161wh/kg，提升約68%。

 

此外，國家對于產(chǎn)品準入的要求越來越高。2018年《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》引導生產(chǎn)企業(yè)把新能源汽車的續(xù)航里程推向500公里以上。根據(jù)國家政策頂層設計與戰(zhàn)略規(guī)劃，到2020年,我國電池能量密度達到300Wh/kg；到2025年,電池能量密度達到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達到500Wh/kg。

 

但是，我們也看到，尺寸越做越大、能量密度越做越高帶來的則是電池的散熱性能的下降，電解液出現(xiàn)貧富液、浸潤性不好、死區(qū)和析鋰可能性增大。這也是導致新能源汽車安全事故的重要因素。如今，新能源汽車的消費者對產(chǎn)品安全的重視程度比以往有了很大的提升，因此對汽車以及電池產(chǎn)品著火事故頗為不滿。但是反過頭來，高能量比也是消費需求助推的一個必然結(jié)果。

 

02

 

電池安全診斷：望聞問切

 

關(guān)于新能源汽車著火事故頻發(fā)，韓廣帥博士認為：“新能源汽車安全失火也就是熱失控，主要有內(nèi)外兩個方面的原因。”

 

他分析后指出，從外部原因主要是機械濫用、電濫用、熱濫用等行為造成的。比如車輛碰撞等車輛結(jié)構(gòu)破壞導致B級電路短路、電池受到擠壓、穿刺等物理結(jié)構(gòu)的損壞；比如外部電路過流、短路等非預期的大電流引起，超過了電池或電池系統(tǒng)可以承受的最大電流；再比如超過電芯安全界限的加熱，可能來自于相鄰熱失控電池，或散熱系統(tǒng)失效所積攢的熱量。

 

從內(nèi)部原因看主要是高比能化與快充導致發(fā)熱量增加，溫升升高，副反應增加；內(nèi)阻增加不一致性放大導致析鋰脹氣等。

 

“理解電池才能不斷提升電池品質(zhì)。”韓廣帥認為，“電池醫(yī)院”的“望聞問切”價值在于通過對電池失效原因的準確分析，制定針對性的解決方案，幫助電池產(chǎn)品提升品質(zhì)。以下為韓廣帥博士在中國電池聯(lián)盟產(chǎn)業(yè)云課堂“動力電池失效原因分析與解析技術(shù)”直播演講時提出的兩個具體分析流程。

 

 

整體解決方案之逆向分析流程

 

 

整體解決方案之正向分析-正極材料

 

 

整體解決方案之正向分析-負極材料

 

 

整體解決方案之正向分析-隔膜

 

 

整體解決方案之正向分析-電解液