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現階段主要從電池本身材料特性以及一些主、被動安全設計上做功課，但是長期來看，要從根源上防止熱失控必須提前進行預測。 在全面轉型電氣化的過程中，電動汽車電池“起火”已經觸及各方的底線，無論是消費者、制造者還是社會管理者。 這其中，電池制造商面臨著雙向的壓力，一方面政策上規定單體電池熱失控后，電池系統五分鐘不起火，另一方面車企為了降成本推進大模組、CTP方案，勢必會讓電芯布局更加緊湊，對“熱”的管理要求更高。 為了解決這個問題，各個公司都陸續推出了一系列的電池解決方案。去年疫情期間，比亞迪率先推出了“不起火的刀片電池”，并在行業里掀起了鐵鋰和三元到底誰更安全的大討論。接著，寧德時代就宣布開發出了“永不起火的三元電池”。蜂巢能源也緊隨其后，在電池日上發布了電池熱失控系統解決方案“冷蜂”，欣旺達也公開了“不起火電池包”。 除了電池企業秀肌肉之外，一些車企也不甘示弱，廣汽埃安的“彈匣電池”技術，嵐圖不冒煙、不起火、不爆炸的“三不”電池，包括最近長城科技日上發布的大禹電池。 雖然宣傳各異，但所有的這些技術歸結到一個共同目的，就是不起火。為了讓電池不起火，這些企業到底做了哪些努力？這些系統性的熱防護措施又給我們帶來了哪些新的思考？ 從根源上做好熱防護：電芯材料的選擇和優化 電池起火的本質是熱失控，一般過程是內部化學反應產熱，高溫逐步破壞SEI膜，使正負極材料和電解質進一步反應生成更多的熱量和氣體，隔膜破壞造成內短路后熱量快速釋放，最后正負極直接接觸，引發熱失控。在熱失控的同時熱量會向其他單體蔓延，引發一連串的電芯、模組、Pack乃至整車其他部位起火，同時會產生大量的高溫氣體，增加內部氣壓。 從熱失控發生的整個過程，我們很明顯可以看出， 材料的熱穩定性和安全是預防熱失控的第一步。 所以，針對電池本身的安全，整車廠或者電池廠主要方向是在原材料上做一些選擇，或者根據材料本身的特性做一些改良。 比亞迪推出的無煙、無明火的刀片電池，選用的正極材料本身就是不易分解的磷酸鐵鋰材料；欣旺達“只冒煙、不起火”的動力電池選擇采用單晶、高壓鎳5系三元材料，還有很多車企開始在部分車型上切換磷酸鐵鋰體系的電池，有很大一部分也是出于安全因素考慮。 關于材料的改良，廣汽埃安推出的“彈匣電池”給出了一些解決思路，該電池針對正極材料進行特殊表面處理，摻雜一些安全材料進行包覆。此外，基于高安全性電解液的選擇，還在其中加入添加劑，促進隔膜自修復、降低熱失控反應產熱的可能性，最后達到的成果是電芯耐熱溫度整體提升30%。 從電芯本征特性上保證熱安全、預防熱失控，更多的是依賴材料本身的特性以及電池廠的技術改良，所以相對來說，主機廠發揮的空間不是很大。 主機廠真正有發揮空間的，更多是在主動安全、被動安全的設計上。 熱防護重要步驟：做好散熱、熱隔離和起火防護 整車廠或者電池廠可以通過一些冗余的設計來保證熱失控之前整個電池包的安全，一方面是對電池進行散熱，另一方面是防止電芯之間的熱擴散。 目前主機廠采用的散熱方案多以液冷為主，通過液冷板和冷卻液來將電池的熱量帶走。 除了保證電池本身的散熱，要防止電芯間發生熱傳導、熱聚集，電芯之間必須進行熱隔離。 嵐圖3月份推出的“三不”電池方案里面，有一個專門針對電芯隔熱的設計，利用隔熱阻燃材料對每一個電芯實現單獨的全方位三維立體包裹，宣傳稱即便熱失控也可以做到無熱擴散現象發生。 還有廣汽“彈匣電池”，其實也是用彈匣的方式給電池做了一個隔熱艙，用網狀納米孔隔熱材料將電芯單獨分隔，避免電芯之間熱蔓延。 綜合來看，目前推出的不起火電池中，電芯間的熱防護主要通過隔熱阻燃材料來實現。 市面上的熱防護材料主要是氣凝膠、云母等，但是這些材料壓縮回彈性較差、比較硬，不能較好地應對電芯之間的膨脹問題。 此外，電池在日常的充放電過程中，由于負極嵌入了鋰離子，會產生膨脹，電芯內部材料受到擠壓會導致電池壽命大幅衰減，這種膨脹的問題在軟包電池間更加明顯。 目前行業內大部分企業會選擇泡綿來解決膨脹的問題，但是 動力電池包伴隨新能源汽車要完成10年以上的運行，在整個生命周期過程中要經歷高溫、低溫、電芯膨脹收縮、振動沖擊等各種情況，在這種環境下泡綿會有厚度、回彈力的變化，一旦泡綿開始損失厚度，回彈力會受影響，進而影響整體應用狀態。 所以在整個電池生命周期里， 一款擁有平緩的壓縮回彈力、不容易損失厚度的泡綿非常重要。 材料企業圣戈班針對目前市場上的痛點，推出了 Norseal?PF 系列泡綿產品，除了在電池模組的BOL和EOL階段都能好的吸收電芯膨脹厚度， 整個生命周期里都擁有平緩的壓縮回彈力，泡綿經過老化之后厚度損失明顯比其他競品小，還提供定制化解決方案。 但在新國標實施后，泡綿產品本身隔熱能力有限，可能無法很好的解決熱蔓延的問題。泡綿+隔熱材料同時應用雖然能解決這一問題，但模組變得更復雜，成本也會相應提升。 我們咨詢下來，行業內材料企業圣戈班有針對該問題設計了 一款既能隔熱又能解決膨脹問題的產品Norseal?TRP ，這種材料可以直接粘接在電芯上，在電芯之間、電芯側面、電芯與端板之間自由組合，解決膨脹的同時，也可以防止熱蔓延。 目前，這款泡綿產品 Norseal?TRP已經通過電池廠往德國大眾MEB平臺送樣，進行下一步的驗證。 除了電池本身的散熱、熱隔離問題，針對電池熱失控可能帶來的起火問題，目前行業主要是用云母板來進行防火阻燃絕緣，還有一些企業在上蓋內側進行噴涂耐火涂層，輔之隔熱材料。 但云母材料本身也存在一些問題，因為云母本身重量較重，對于一些造型復雜的電池包，云母很難隨型做復雜造型，加工時間很長。同時云母本身只能起到防火耐沖擊的作用，如果電池包本身就存在氣密性缺陷，有氧氣進入情況下，還是無法防止起火現象。 所以現在行業內也在尋求一些替代云母的方案，我們了解到的蔚來EC6、ES6、ES8三款車都用了圣戈班的一款 Norseal?FS1000 填料泡綿產品，應用在模組和上蓋之間，除了 自帶緩沖功能，這種材料在高溫下會膨脹，膨脹會阻斷助燃氣體進入，很好地解決了云母存在的問題。 除此之外，在PACK級別，為了防止熱失控的發生，主機廠選擇安裝防爆閥、平衡閥和泄壓閥，來平衡溫度、海拔變化導致的電池包內外的壓差，并且可以保證電池包內部的氣體和壓力定向排出。 一旦發生熱失控，電池包內部的爆炸保險絲系統監測到碰撞和短路的情況可以快速反應，來保證極端情況下電池組的安全。 基于初始階段電池材料的選擇，以及針對電池運行過程中帶來的散熱、熱隔離、防火問題的主、被動安全設計，主機廠的熱失控防護基本上都是圍繞這些思路來進行。 不過，雖然目前規定電池5分鐘不起火，但如果政策慢慢開始收緊，倒逼主機廠和電池廠往不起火走，做好熱失控前的預測和監控，才是從根源上去解決這個問題。 長期目標：預測熱失控 現狀：延長不起火時間 電芯及周圍環境會向我們傳遞溫度、電壓、電流、氣壓、氣體、濕度等信息，這些信息數據通過BMS可以被監測，根據這些數據建立相應的算法分析模型，以此來提前預測是否會有熱失控的風險，進而給出相應解決方法，是我們提前預測電芯熱失控的邏輯。 以嵐圖為例，通過T3出行眾多車型收集到的數據，對電池進行診斷、運行壽命監測，實時監測電池的溫度和各種指標，然后通過APP推送車輛的相關信息進行預警。此外，蜂巢能源推出的“蜂云”平臺，還有華為推出的云BMS，都是類似的思路，即通過BMS的算法模型，提前預測風險。 基于數據對電池的熱擴散、熱失控的基礎特性研究是防止熱失控的重要路徑，但是 這個方案也存在一定的挑戰：一方面，電池企業或者車企關于電芯本身的大數據積累得還不夠全面，而且整車和電池數據的獲取都有一定的難度；另一方面，電芯外的環境監測部分可能需要增加額外的傳感器，成本自然會增加。同樣，對于數據的分析，算法模型的建立也不是小工程。 所以，要提前探測電芯的熱失控，以此來解決起火的問題，目前來看并不容易。現階段的重點，更多是在防火隔熱解決方案來延長電池系統不起火時間。在此過程中，設計防護結構，開發防護材料，高溫氣體、火焰傳播路徑上的隔熱防火，定向泄壓、防短路等等都需要材料企業參與，所以當市場開始擴張時，材料企業應該也會迎來新的春天。【END】 |
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