锂离子动力电池原理解读

    [汽车之家 技术]  5月26日深夜，在深圳街头，一辆日产GT-R高速撞击一辆比亚迪E6出租车，至其失控、旋转、起火。起火部位正是比亚迪E6锂离子电池的安装位置。此后，锂离子电池的安全性饱受质疑。社会中存在这样一种现象“墙倒众人推”，正如曾经的某位养生专家，开始是众星捧月，被查处后又是全民吐糟，其中大部分人是根本不懂中医的。同理，很多人也根本不了解锂离子电池结构和原理，所以这样的质疑声只能称之为“喷”。

●  你知道什么是锂离子电池么？

    首先纠正一个说法，很多人认为锂电池是锂离子电池的简称，其实这是一个误区。锂电池的真实身份是以锂金属为负极的一次电池（不可充电电池），其身世可以追溯到爱迪生，但因锂金属的化学特性非常活泼，易发生燃烧、爆炸现象，故不再广泛应用。

    后来人们用石墨作负极，含锂的化合物作正极，不存在锂金属，有效的避免了锂金属太活泼导致的危险，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极嵌入碳材料的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高；同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极，回正极的锂离子越多，放电容量越高。

    锂离子电池按电解液不同可分为：液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。这两种锂离子电池正负极材料是相同的，其不同在于液态锂离子电池的电解液是锂盐+碳酸酯，聚合物电池的电解质是固态聚合物或凝胶聚合物。由于聚合物提纯难度大、成本高，一般应用于小型电池，如手机、笔记本电池。电动车上的动力电池多为液态锂离子电池。

    现代的Blue On电动车已经应用了高能聚合物锂离子电池,容量达到16.4千瓦时。聚合物锂离子电池是从液态锂离子电池基础上发展来的新一代高比能电池。聚合物锂离子电池在与液态锂离子电池相同容量情况下，具有体积更小、重量更轻、工作范围更广、寿命更长等优点，更重要的是其电解质为固态或凝胶状，不会出现液态电池电解液泄漏所造成的危险。

    ◆  误区纠正：

    误区：锂离子电池也存在“记忆效应”，需要完全充放电激活电池容量。

    纠正：“记忆效应”是镍镉、镍氢电池的“专利”，其原理是不完全充放电导致的结晶化，锂离子电池几乎不会产生这种效应。不过锂离子电池虽然没有“记忆效应”，但随使用时间增加，在物理角度上，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞；化学角度上，正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物，导致可移动的锂离子减少，这类现象都反应为电容量的下降。

    完全充放电反而会导致锂离子电池减寿！可以直观的理解为：过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。

    电池说明书中提到“使用一个月左右应该完全充放一次”不是为了消除“记忆效应”。锂离子电池一般都带有管理芯片，其中有一系列的寄存器，存有容量、温度、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化，使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该是修正这些寄存器里不适当的值，使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。

●  锂离子电池的广泛应用

    ◆  日产聆风（Leaf）

『日产聆风纯电动车』

    聆风是日产推出的纯电力驱动零排放汽车，它采用由层叠式紧凑型锂离子电池驱动，电池组容量24千瓦时、最大输出功率90千瓦。在完全充电的情况下，可以实现160公里的续航里程。另外，聆风提供了多种充电方式，如果在家中给聆风充电，需要8个小时可将车完全充电；如果在快速充电站充电，只需30分钟即可充80%的电量。

    ◆  奔驰S400 Hybrid

『奔驰S400混合动力轿车』

    奔驰明确表示S400是车厂第一款采用锂电池的大规模量产车型。它一共由35个电池单元组成，可以提供19千瓦的输出功率，容量为6.5安时。体积不大，可以直接放置在发动机舱里。

    ◆  雪佛兰 沃蓝达（Volt）

『雪佛兰沃蓝达增程电动车』

『沃蓝达的“T”型锂离子电池组』

    与众多电动车、混动车不同，沃蓝达采用增程式设计，可靠汽油机发电驱动车辆并为电池充电，也可纯靠电池驱动行驶。沃蓝达的电池组是通用和LG化学美国分公司共同研发的锂离子电池，容量为16千瓦时。不过，因为碰撞试验结束三周后的自燃事件，有消息说通用公司将改用磷酸铁锂电池。

    ◆  比亚迪E6

『比亚迪E6纯电动车』

    比亚迪E6电动车采用磷酸铁锂电池组，续航里程可达300公里。E6的电池组很好招待，只要家里电线负荷足够，直接插220v家用电即可为其充电，充满的时间为约为7-8个小时。通过专门的充电设备，15分钟即可充满80%。

 ●  磷酸铁锂电池是用正极材料命名的锂离子电池

    锂离子电池的正极材料有很多种，有钴酸锂、锰酸锂等。但因其各方面的不足慢慢被磷酸铁锂所替代。磷酸铁锂是目前最受用的正极材料。

    磷酸铁锂电池是用正极材料作为名字的锂离子电池。所有锂电池的结构和工作原理大致相同，磷酸铁锂电池使用磷酸铁锂材料作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。

    比亚迪之所以称自己的产品为铁电池其原因有二，一方面确实有把铁电池分为：高铁电池和锂铁电池的说法，所以这种命名在理论上也不为过；另一方面是因为目前磷酸铁锂化合物的专利仅被A123、Phostech、Aleees三家材料公司掌握，不是谁生产的电池都可以叫磷酸铁锂电池的，所以取名为铁电池。但比亚迪的电池本质上还是锂离子电池。

    ◆  真正意义上的铁电池

    真正的铁电池是由稳定的高铁酸盐担任正极，锌、铝、铁、镉和镁等材料作为负极，靠电子在其间移动实现充放电的电池。目前还没有厂家宣称可以大规模实用化铁电池。

●  燃烧、爆炸：都是短路惹的祸

    燃烧的条件是同时具有可燃物和引燃物，可以直观的理解为干柴和烈火。锂离子电池安全事故主要是由电极和电解液之间的反应引起的。电解液含有机溶剂，是一种极易燃烧的物质，这就是“干柴”。在滥用情况下（如过充、过热和短路等），正极材料稳定性较差，易释放出氧气，恰恰有机溶剂易和氧气发生反应放出大量热和气体，产生的热量会进一步加剧正极的分解，造成恶性循环；当温度达到电解液燃点时，电解液就会燃烧，这放热反应就是“烈火”。如果此时电池处于封闭状态，生成的大量气体会是电池内部压力迅速升高导致爆炸。下面介绍几种常见的事故原因。

    ◆  过充引起的燃烧和爆炸

    用损坏或不对应的充电器充电时，可能引起过充。当电压过高，正极溢出大量锂离子，负极吸收不了的锂离子会在其表面形成枝晶，使电池内部短路。短路电流会产生大量热，温度迅速升高会导致作为有机溶剂的电解液燃烧（有机溶剂极易燃烧），严重时刻会导致正极发生分解反应或负极与电解液的反应，产生大量气体。在这样一个封闭环境内结果只有爆炸。即使在电池安全阀正常工作的情况下，也有可能会喷出电解液引起更大范围的火灾。

    ◆  穿刺与撞击引起的燃烧和爆炸

    行车过程中难免会遇到碰撞和道路杂乱的情况，后车追尾、行车拖底、杂物飞溅都会对电池造成很大的威胁。穿刺会使电池短路，产生大量热，导致电解液燃烧，温度升高促使正极材料分解或与电解液反应生成大量气体，导致爆炸。当锂离子电池受到撞击时，电极上过电压损失将产生热量，促使溶剂与负极的反应，放出的热量进一步加热电池，正极热分解反应发生，导致电池爆炸。

    可以看出，这几种危害的本质都是短路引起的内部反应，反映产生高温和高压导致电池燃烧和爆炸。所以电池内部材料的耐热性应该做严格的规范。

●  如何认证锂离子电池的安全性

    目前，UL（Underwriter Laboratories Inc.）是世界上最权威第三方认证机构。换句话说，如果通过了UL关于锂离子电池的一系列实验，就会得到全世界电动车厂商的认可。

    高温、撞击和穿刺都会造成锂离子电池的内部环境变化，这些变化会促使电池内部发生各种有害反应，所以UL设计了一系列的残酷试验来控制锂离子电池的安全性能。在钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂电池中，磷酸铁锂材料耐过充、过热的性能是最好的，所以不易燃烧和爆炸。

    即使电池本身安全了，装在车上也不一定安全。针对电池的试验难以模拟行车事故中电池遭受的恶劣环境。目前中美两国都没有一套单独的、全面的电动车碰撞标准，从美国FMVSS305和GB18384.1-2001两个规范来看，都只是仅限于碰撞后电池电解液泄漏量、电池位置（不能侵入乘客舱，也不能飞出车体）的规定，而没有看到大众关心的关于燃烧和爆炸问题的规范。虽然在这方面我们没有落后，但我相信大家跟我一样希望的是和发达国家一样规范，而不是都不规范。

    美国国家交通安全管理局对雪佛兰沃蓝达进行了碰撞测试，测试后车辆置于停车场，三周后自燃，官方解释是碰撞导致电解液泄露造成电池短路从而自燃。虽然电池最终还是燃烧了，不过可以看出，在碰撞当时电池并没有对车辆安全造成威胁。

    至于比亚迪E6在撞击后起火的事实，其事故原因我们不做讨论，但是明白的人都知道：首先，电动车的动力电池都是电池包，即由几十或上百个单体电池串、并联而成，假设单体电池是安全的，它们之间的连接电路和控制电路也难逃其咎。更何况每个电池的统一性也不好判断，就像两条儿相同且没有质量问题的内存，也会出现不兼容的情况一样。其次，高速的撞击恐怕汽油车也难逃厄运。再次，碰撞安全性是车身结构、材料强度等多方面因素决定。所以还是不要把责任都推到电池身上。

全文总结：

    电池的安全性成为电动车安全的焦点问题是理所当然的，但是不能忽略电池包中各单体电池的连接电路和控制电路的可靠性，也不能因为过分强调电池安全而忽略了车身结构和材料强度的重要性。平心而论，内燃机车辆的安全性也达不到100%，所以我们应该学会用大胆假设，小心论证的理性眼光看待一个综合性问题。（文/汽车之家 张弓然）