动力电池路线之争.doc

关于汽车动力电池路线之争的一些理解
在电动汽车刚开始发展的时期，各种路线百花争鸣，相关争论也不绝于耳。铅酸、三元、铁锂、NCA、燃料电池、超级电容器、金属空气电池等等，甚至还出现了早在二三十年前很多小县城就在使用的天然气的伪新能源车。为了挣国家补贴，各个企业各显神通，产品良莠不齐，绝大多数车用了2年不到就无法满足使用需求了。乱象横生，这些劣质品，甚至危险品为何也走向了市场？
国家在电动车方面的要求，轿车动力电池的单体比能量2015年底达到200瓦时/公斤，比2010年提高一倍；2020年达到300瓦时/公斤，总体水平保持在国际前三名以内。
先不说2020的事情，比较遥远。2015年200Wh/Kg的能量密度是保持不了前三名，如果纯粹为了能量密度去争前三名是没有意义的。目前国内的三元是NCM电池，主流能量密度在160Wh/Kg的水平，要是做到200Wh/Kg，电池寿命就只有300-500次左右，而NCA电池随便就可以做到200-235Wh/Kg，但是NCA还没有稳定的国产货，成本奇高。至于安全问题，NCM电池的安全性虽然比NCA略好，但也是80米笑100米，目前充电宝、笔记本电池、锂电池电动自行车就是以圆柱NCM电池为主，只要到网上一搜，着火爆炸的新闻大把都是，哪个做NCM电池的公司敢保证其生产的NCM电池在安全测试时或者在使用过程中绝不会出现安全问题。安全问题是一个概率问题，即使1%。的概率，很多人也会侥幸认为自己运气好，不会有事。几只到几十只电池的电动自行车、笔记本、充电宝因体积小，电池少，发生爆炸燃烧的概率小，发生着火爆炸很少能伤到人，但是几千只电池的电动车发生危险的概率有多高（三元做大电池的话纯粹就是作死的节奏），人在车里面能逃出来吗？何况去年仅电动自行车着火还致死不少人。就算单只电池出现内短、局部过热等不可避免因素导致的安全问题的概率是百万分之一，4只电池充电宝出现问题的概率是百万分之四，而8000只电池的电动汽车出安全问题的概率接近1%，还有多少可以侥幸的。而且这个还是在没有计算车祸事故的条件下，如果出现车祸事故的时候这个概率会大大提升。
磷酸亚铁锂电池为什么安全呢？不是很多外行专家解析的那样。从TG/DSC等一些专业设备分析电池内部热失控的机理可知：NCA、LCO、NCM、LMO几种材料分别在160度、190度、220度和260度左右产生释氧反应，而电池在内短、局部高阻抗过热、外短、挤压、穿刺、碰撞等条件下内部极芯温度十分容易就达到200-300度（电池表面也可能会达到60-150度），在电池内部产生大量的氧气，这是十分危险的事情。提到磷酸铁锂电池的安全性，我们必须先了解一下机理。
锂离子电池之所以能够应用，是在于负极表面产生了一层SEI膜，锂离子能穿过的电子绝缘层，隔离了带电负极与电解液，阻止了二者之间的剧烈反应。我们生产的电池在没有化成成SEI膜前，负极是石墨，正极是我们上述几种正极材料之一，中间是饱含电解液的隔膜。锂离子电池在出厂前要化成分容，形成有效的SEI膜及活化电池，这个过程会产生大量的氢气、一氧化碳、乙烯、乙烷等还原性气体，再加上易挥发的电解液的溶剂碳酸酯，整个电池内部都是充满了还原性的气体和液体的。当电池在上述各类失效情况下，电池内部既有还原性气体，也有高温的点火源，如果遇到氧气，温度达到闪点，燃烧爆炸是十分正常的现象。磷酸亚铁锂材料，热稳定性极好，其晶体结构中的氧是以磷氧四面体结构存在的，在1000多度的情况下都不会释放出氧气，在磷酸铁锂电池内部只有可燃物（还原性气体和液体）和点火源，没有助燃剂（氧气），想爆炸燃烧都不可能。当外壳被破坏时，因为电池内部气压大于大气压，还原性气体往外喷，在大气里面稀释，电解液也被吸附在隔膜和极片中，氧气很难进入电池内部，等气压平衡氧气进入的时候，温度也降下来了，可燃物也剩下不多，想出安全意外都难。根据之前做的大量的针刺挤压等破坏性实验，有气体喷出，但无燃烧爆炸现象。
电池的防爆阀只能在一定程度上避免危险发生，可以有效地解决物理冷热条件下体积变化nRT=PV，但是在达到闪点的情况下也是无能为力的，而磷酸亚铁锂电池则不存在这个问题，因此铁锂电池的安全性是毋容置疑的。
安全问题先讨论到此，看看电池的能量密度。目前几类比较主流的汽车动力电池的比较，如下表：
电池名称镍锌电池铁锂电池LFP三元电池NCM（国内）三元电池NCA（特斯拉用）中值电压：V1.63.23.63.7充电电压范围：V1.3-2.12.0-3.63.0-4.23.0-4.2连续放电倍率:C0.1-200.1-200.1-150.1-15瞬间放电倍率:C25503025单体能量密度Wh/Kg90-110110-150140-170200-255包体能量密度Wh/Kg75-10090-12580-120(100