科技

獨家調查2:硬核對話我國電池技術專家,他這樣預測電動汽車發展

(提示,閱讀此文可能需要5分鐘時間)

據不完全統計資料,2018年全國發生電動汽車起火事故超過40起(國家市場監督管理總局去年10月透露)。如今的動力電池技術是否已經足以滿足電動車的大規模生產和使用?電動汽車的安全性究竟如何?未來新能源汽車將如何發展?

針對以上問題,廣州日報全媒體記者專門約訪了中國電池工業協會副理事長、中國科學院物理研究所研究員、博士生導師黃學傑。6月17日,廣東省重點佈局的首批4家省實驗室之一鬆山湖材料實驗室在東莞動工,目前該實驗室正重點推進鋰離子電池新材料研究和中試,這一專案未來將使汽車動力電池的續航能力提升40%、成本下降30%。松山湖材料實驗室副主任、實驗室產業化委員會主任黃學傑也擔任該鋰離子電池新材料研究和中試線建設專案負責人。

在採訪中,黃學傑研究員向廣州日報記者詳細解釋了關於電動汽車電池的安全與未來。

採訪人物介紹:

黃學傑是我國電池領域的專家,主要研究方向是奈米離子學研究及其在鋰離子電池中的應用,所主持的物理所鋰離子電池及其關鍵材料的研究、開發與產業化工作,獲中科院科技進步二等獎,求是傑出青年獎。

【對話黃學傑】

記者:今年以來,國內特斯拉、蔚來等電動汽車自燃的事故一直在陸續發生,請問有哪些原因會引發新能源電動車突發自燃?

黃:雖然線路老化、破損和車內放置易燃物品會容易引起短路和觸發自燃,但電動汽車自燃的主要原因是因為電池熱失控轉為熱蔓延造成。

電池裡有正負極、電解液和隔膜,其中負極是碳材料,可燃,電池充電後負極嵌入鋰就更加易燃;電解液是有機的溶劑,是可燃材料;隔膜也是易燃的塑料,加上鋁、銅箔集流體,電池裡面有太多可燃的東西了。

觸發電池自燃的原因包括外部短路或內部短路。有了外傷,比如碰撞導致電池包損壞或者電池包之外的線路短路等;電池製造缺陷引起的內部短路,車子充電時暫時好像沒有問題,但內部已經出現了微短路,一段時間之後可能就會燒起來;電池過充電時,可能會導致出現負極析鋰和電解液氧化分解,導致溫度加速上升引發熱失控自燃。

還有一種情況是電池管理系統出現問題導致電池過熱,隔膜融化導致電池內部短路,進而引發電芯熱失控。

國家是按照電動汽車的續航里程和電池包比能量來劃分補貼,也會導致一些廠商基於補貼利益考慮以及提升自身品牌的宣傳力度而忽視了電池包的安全因素,為了提高電池的能量密度安全設計冗餘不足,安全隱患也在增加。

記者:比如在特斯拉的幾次自燃事件中,廣州日報記者發現有一些共同點,首先都不是新車,都屬於舊款且經過了一定里程的使用。請問能否理解為電動汽車電池是否使用時間越長越危險?

黃:以特斯拉為例,松下的18650電池原本用於電腦,是能量比較高的鎳鈷鋁三元正極材料18650電池,特斯拉當時無法找到其他能夠大規模生產的電池供應,所以就選用了電腦的電池。他們開發出自己的管理技術,能把幾千個電池串並聯在一起,再進行電的管理和熱的管理,製成汽車電池。

但從安全性上看,鎳鈷鋁三元材料電池在180攝氏度以上會出現自加熱,起火後很難控制。電腦電池都可能短路起火,汽車電池這麼多,在異常情況下更可能起火。

電動汽車產業還需要更好的電池,大家還在努力中,但在這之前,現在只能選擇一種至少可以讓汽車執行的電池,這是個妥協之舉。有時電池隨著使用時間安全性會降低,是使用過程中出現了低烈度過熱、過充電問題或者出現機械損傷和電路故障的情況。

記者:目前電動車充電,普遍存在快充、慢充和換電池等三種模式,如何理解這三種充電模式,這三種模式分別有何特點,目前比較主流和安全的充電模式是哪種?

黃:電動車快充、慢充介面對應直流、交流介面。直流快充有15分鐘充50%電量,也有1小時充到80%電量的,家用充電樁慢充時間就長慢很多,也能保證一晚上將電動汽車的電池充滿,不會影響使用者使用。

一般情況下,應儘量使用慢充,只有在緊急需要時,才使用快充方式。因為快充對於電池的要求非常高,大電流充電會導致電池組溫度升高,電池衰減也會快一些,BMS系統精度不高是還易於出現析鋰現在,導致電池內部短路。

電動汽車換電模式是指通過集中型充電站對大量電池集中儲存、集中充電、統一配送對電動汽車提供電池更換服務,此模式可以解決充電時間過長的問題。

但現階段尚處於發展初期,投資大,運營費用高與換電模式相配套的標準體系尚未建立,就目前的技術水平和相關法律、商業模式配套而言,還不足以支撐該模式的大規模應用。

現在還處於在電動汽車發展初期,建議以慢充為主,謹慎推廣快充技術,對特定場景的應用和行駛習慣相對固定的使用者可試點推行換電模式。

記者:電動車的環保效能同樣存在爭議,國內外電動車目前使用的主要是哪幾種不同技術類別的鋰電池?這些鋰電池在回收環節存在哪些問題,目前國內外在回收環節有何比較環保和有效的解決方式或者方案出來?

黃:電動需要使用大量的鋰離子電池,目前商業車主要採用磷酸鐵鋰正極材料製造的鋰離子電池,乘用車主要採用鎳鈷錳和鎳鈷鋁三元正極材料製造的鋰離子電池。

電池造過程中不可避免產生了碳排放,而且能源供應不完善,但電動車目前的汙染水平低於內燃機。在電池生產方面,人們已經有了一些經驗,從源頭到生產都能控制汙染,提高環保水平。

但電池有使用壽命,到了報廢的時候,電池中很多化學物質需要處理,對於廢棄電池的處理才剛剛起步。這個問題肯定需要解決,這是生產者的責任之一。需要提升電池的迴圈壽命實現梯級利用和發展更高效的拆解回收技術通過迴圈利用減少對新材料的開採需求,提升環境效益。

記者:如今國內和國外電動車電池製造工藝分別處於什麼水平?

黃:國外主流動力電池企業和國內部分技術領先企業得益於自動化生產技術、工藝裝備和質量控制水平,特別是自動化控制技術、智慧化無人制造工廠等能夠保證製造出高品質高水平的動力電池產品。

但是我國還有不少鋰離子電池企業的生產過程還處於單機自動化和區域性資訊共享的階段,制約了產品質量的進一步提升。

近年來,我國在動力電池生產製造技術及裝備方面有了長足的進步,基本掌握了動力電池裝備的核心技術,單機自動化方面取得了較好的進展,極片生產和化成裝置方面縮小了與國際先進水平的差距,在卷繞變形控制、無偏差組裝、鐳射切割及焊接等某些單項技術方面具備了國際領先的水平,少數企業開始自動化生產線的設計。

但在數字化模型設計、模擬分析優化、大規模自動化生產製造裝備、製造過程中的線上檢測技術及生產製造全過程管理方面還有差距。

記者:電動車的電池會否對司機的身體健康有影響?是否存在輻射等安全隱患?

黃:不會,電池不存在輻射問題。

記者:石墨烯、黑磷這些新材料用來製作電極,會對電池技術產生重大的變革嗎?會有哪些型別的新能源汽車成為可能,是否會取代電動車?未來整個電動汽車市場前景如何?

黃:新型的電極材料有很多人研究,石墨烯有用在正極裡作為導電新增劑材料,一般新增量低於百分之一,黑磷等也作為負極材料有人研究,但未見到應用的可能性。

而氫燃料電池直接將燃料的化學能轉變為電能,可滿足特點車型和特定場景的應用要求,將對電動車動力形成有效的補充。

電動汽車關鍵技術包括電池技術、電驅動及控制技術和整車技術。電池是電動汽車的動力源泉,也是一直制約電動汽車發展的關鍵因素。現有鋰離子電池系統比能量已超過150Wh/Kg,200Wh/Kg的電池包也將在2020年走向商用,現階段重點是要提高壽命、安全性和降低批量化生產的成本。

如今電動汽車的續航,還是動力電池的能量密度、或者是充電技術,在這幾年都得到了很大的發展。相信,隨著規模化效應之後,三電技術和成本都會有一個質的飛躍。至2030年,比能量倍增的固態電池將會商業化,電動汽車的普及將會更加順暢。

汽車的發展有三個趨勢:智慧、電動和共享。電動化跟智慧化兩個是結合在一起的,電動化是它的一個必然趨勢。我認為,汽車將來將不僅僅是一個交通工具,到了5G時代,汽車首先會走向智慧化,變成一個智慧終端,集智慧的工作、生活、娛樂功能於一體,交通只是它的功能之一。將來的年輕人買汽車的話,可能並不是因為需要一個交通工具,而是需要這樣一個終端。

就跟今天的智慧手機一樣,有些人基本不用手機打電話,而是聊天、玩遊戲和看視訊等等。智慧化車輛的最佳動力就是電力,因為電是能源的高階形態。

將來汽車的硬體只會是一個有形的東西,資料才是如影隨形的。舉個例子,我找一輛車坐進去,這個車子感知到是我來了,就會把我的相關資料,我的駕駛習慣,我剛才正在幹什麼,馬上對接上。十年內這些可能就會成為事實。

記者:今年發生的多起電動車自燃事故,業界還會堅持電動車會是未來新能源汽車的主流方向嗎?未來新能源汽車將如何發展,企業界、投資界、法律界和政府應該如何形成合力,推動該行業的良性發展?

黃:與傳統燃油車相比,電動汽車的成熟程度還不夠,市場化過程目前還面臨一些瓶頸,動力電池是電動汽車關鍵核心部件之一,我們應緊緊依靠先進技術來破解電池成本高、安全可靠性不足和使用不便捷的問題。安全性不僅僅是業內來努力開發安全性高的電池與系統產品,還要通過遠端執行資料監控、充電監控及保養服務等提升電動汽車使用的可靠性與安全性,避免由於維護、改進不及時或濫用情況而出現安全性與可靠性事故。

政府應支援積極的市場化措施推動電動汽車的發展,國家新能源汽車補貼政策應從直接補貼車型轉向補貼公共充電基礎設施的建設,助推電動汽車的普及。

廣州日報全媒體文字記者:阮元元、王納

廣州日報全媒體圖片記者:汪萬里、阮元元、軒慧

廣州日報全媒體視訊記者:阮元元

廣州日報全媒體編輯:童丹

Reference:科技日報

看更多!請加入我們的粉絲團

轉載請附文章網址

不可錯過的話題