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电动汽车因何爆破?揭开锂电池“王炸”的隐秘

锂元素作为电池范畴的“王者”,为什么一再与危险相连?构成锂电池爆破的主要原因是什么?本文就来揭开锂离子电池“王炸”的隐秘。

撰文 | 李存璞

2020年10月27日晚间,一辆坐落北京北四环的威马EX5电动轿车发生自燃爆破,是最近一个月以来威马轿车的第三起自燃起火事情。此事再次将电池安全性问题推上风口浪尖。威马随后发布的官方声明表明:“此次事情是因为电芯供货商在出产进程中混入了杂质,导致动力电池发生反常析锂,极点状况下或许导致电芯短路,引发动力电池热失控并发生起火危险,存在安全隐患。”

一般来说,电动轿车起火自燃往往是其内部的锂离子电池组自燃所导致的。跟着近年来新能源轿车的推行,根据锂离子电池的电动轿车现已曝出了多起自燃、爆破的新闻。锂离子电池早已,并且将在未来一段时刻继续充溢于咱们的日子傍边,其安全性问题天然成为咱们重视的热门。在这篇文章中,咱们将简略介绍现有锂电池的原理,然后评论其发生自燃的原因,终究经过Q&A答复下咱们或许关怀的问题。

图1 2020年10月27日,北京一辆威马电动轿车自燃爆破

1 锂离子,“住在独身宿舍”的电池王者

2019年,诺贝尔化学奖颁发了三位对锂离子电池创造和开展具有杰出贡献的科学家与工程师。但一同也再一次将锂离子电池的安全问题面向了言论的中心。

锂金属是天然界中最轻、电极电势最低的金属,这意味着相同质量的金属之中,锂能够带着最多的电荷,并供给最高的电池电压,是电池中的“王者”金属。因而早在上世纪初,1912年,美国闻名化学家Gilbert N. Lewis就现已开端了锂电池的研讨;但是真实商业化使用的锂电池到上世纪70年代才得以开展。

虽然人们往往将锂离子电池简称为“锂电池”,但事实上锂离子电池中并没有金属单质锂。现代干流的电极材猜中,负极多为石墨,而正极多为各类锂盐。经过简略的数学核算即可知

如此说来,现有的锂离子资料并没有充分发挥锂元素作为电池“王者”金属的特性,咱们买的电池中锂的占比其实很少,能量密度天然也不高。那么,咱们让锂原子整整齐齐地排在一同,扔掉这些电池正负极的不相干元素,不就能够获得更大容量的电池了吗?

图2 锂离子堆叠的整整齐齐十分困难,反而会构成(b)中的枝晶。这是因为锂离子堆积的马太效应,会构成(c)所示的部分电场强度过高的现象。

如图2所示,因为锂自身性质生动,咱们不将锂离子加以约束,而是将锂离子直接还原为锂金属,那么在锂堆积的进程中,总有某一部分位点会有锂离子先堆积下来。先堆积下来的锂离子被还原为锂金属,成为带电更多的“顶级”。顶级周围构成更强的电场,促进后续锂离子优先堆积。这种先堆积的锂,构成更强电场,诱导更多锂继续加快堆积的现象,被咱们称为锂堆积的“马太效应”——好像经济学的马太效应相同,初期的优势堆集将在后期发生巨大的差异性。因而,许多尖利而分形的锂枝晶会不断构成,终究刺穿隔阂,构成电池内部短路,然后使得电池内部电解液分化,导致电池自燃、爆破。所以前期根据金属锂电池的电池现已因为安全问题而被筛选了。

咱们能够方便地在白板上模仿锂枝晶成长的马太效应。如图3所示,把白板擦洗湿润,白板笔画线后,墨水会往外分散,初始成长得快的墨水线会沿着白板更快地分散,然后成长出“墨水枝晶”。

图3 白板上墨水的马太效应

因而,虽然锂金属单质能够供给更大的容量、更高的功率,但“跑得快不一定赢,不跌跟头才是成功”。反而锂金属单质的分出,然后发生枝晶,是构成锂电池爆破的重要因素之一。

2 “王炸”

近几十年来,真实使锂离子电池具有现在耀眼光芒的,恰恰是前述的那些白白占有分量、拉低电池容量的碳、钴、氧们。如图4所示,锂离子在负极被嵌入到石墨/石墨烯中,锂离

?间。因为每一个锂离子都居住在“单间”傍边,相互分隔开来,锂离子天然就难以在堆积进程中发生马太效应,然后提高了电池的安全性与牢靠性。

图4 石墨负极与钴酸锂正极资料。紫色球为锂离子。左边蓝球为碳原子,右侧红球为氧原子,蓝灰色球为钴原子。

但是,“王”仍然会爆破——即便王仅仅以离子的身份络绎于电池内部,而没有以其单质的本尊就坐于电池之内,但仍是会因为种种原因而发生意外。

如图5所示,锂离子电池的正负南北极会用聚丙烯、聚乙烯的多孔隔阂切开开来。这类多孔隔阂相似口罩中的熔喷层,能够透过锂离子,但会隔绝电子。与此一同,永久不要忘掉锂是最生动的金属之一,这要求锂离子电池内部不能使用水作为电解质溶剂,那么电池内部锂离子的运送,只能依靠醚类、酯类等有机溶剂。这些有机溶剂自身易燃易爆,一同还简单在电极上发生分化反响,然后导致电池自燃或爆破。但万变不离其宗,电池的爆破根本都能够归结为以下两种失控:热失控与电失控。

图5 锂离子电池结构,该图为放电进程,其间紫色球为锂离子

①热失控。热失控是指电池内部温度继续升高。构成热失控的原因许多,主要是因为电池内部短路。短路电流会发生许多的热量,使得有机电解液分化-电池鼓包-终究电池决裂-自燃-爆破。几年前报导出来的三星Note 7手机的几起事端,便是因为电池内部金属毛刺或隔阂决裂,然后引发短路而构成的。

在非碰击的状况下,电池内部结构或资料的缺点也或许会导致热失控。例如正极、负极的金属极片或许存在一些切开、加工所构成的尖利凸起,会划伤软弱的隔阂,然后导致电池继续性内短路,终究引发电池热失控;而咱们电池资料有杂质,构成锂离子不进入“格子间”,而是堆积在电极资料外表,就会构成此次威马轿车所宣称的“析锂”现象,发生尖利的锂枝晶,刺破隔阂而热失控。

而各类电动轿车遭到碰击之后,咱们电池被穿刺,也会构成电池内部短路然后失火爆破。

②电失控。热失控是电池内部缺点或外界意外导致的,而电失控往往来自于人祸。在电池充电时,咱们电池现已被完全充电,但电路控制体系并没有完毕充电进程,或许放缓充电速度,将会使得电池过度充电,发生电失控。

一种状况是现已没有锂离子能够继续搬迁到负极然后堆积,那么电池内部的有机电解液将在电极上分化,然后发生许多气体,导致电池鼓包、爆破。早年的全能充电器因为没有安全牢靠的充电控制体系,常常会把电池充鼓包。

另一种是过度充电,但锂离子“格子间”不行导致的析锂电失控。当电池充溢时,还有自在锂离子能够搬迁至负极,而负极的石墨“格子间”现已被填满,此刻锂离子只能堆积在石墨外侧分出锂金属单质。锂金属单质将会发生枝晶,然后刺穿隔阂,引发热失控,终究导致电池自燃、爆破。除了电池过度充电之外,过度寻求快速充电也或许会导致电失控:在电池现已快要充溢的时分,大电流的充电将或许使锂离子过快地来到负极,但来不及进入格子间,相同会发生锂金属单质。因而,合理规划的多重安全闸口的充电办理体系对防备电池热失控至关重要。

图6 威马轿车官方微博宣布的“召回阐明”指出,此次爆破事端是电池出产进程中的杂质导致的反常析锂,引发热失控。

3 问答

Q1:没在行进,也没在充电的电动轿车为什么会自燃?

A1:很或许之前电池内部现已构成了小规模短路,泊车期间电池继续放热,终究热失控而自燃。

Q2:快充会损伤电池么?

A2:咱们没有外电路优化,那么充电速度过快会损伤到电池寿数。但事实上大多数手机和轿车电池都会在电池快要充溢时减慢充电速度,给锂离子满足的时刻渐渐回到自己的单间,所以快充对电池功能的影响有限。并且,某品牌手机的“五福一安”真的太慢了吧。

Q3:过度放电会有安全危险么?

A3:过度放电对电池有很大的损害,很或许因为锂离子完全走掉构成电极资料的崩塌,然后让锂无家可归。后续的循环或许会导致电失控,因而从电池寿数和安全视点都不主张电池过度放电。所以“对不住,我的手机只要90%电量,先不聊了”或许也不仅仅是推脱,究竟TA或许真的很珍惜电池与生命。

Q4:电动轿车究竟安全么?电池既然会爆破,为什么人们还敢开着电动轿车上高速?

A4:人们乃至敢开着燃油车,坐在几十升汽油上面,在高速公路上飞驰。

Q5:为什么冬季电动轿车续航下降得很凶猛,以至于车主想要外加内燃机的加热设备?

A5:锂离子在低温环境下搬迁速率明显变慢,相当于电池内阻明显增加,因而电池能够开释的功率和能量都会下降。为了确保电池满足的功率输出,还需要使用电池一部分能量给电池进行加热,使得本不殷实的电池落井下石。因而背一个内燃机小书包,既能够取暖加热,又能够确保续航,成为了不少车主的挑选。

Q6:未来会怎样?

A6:愈加安全、牢靠、高功能的锂电池必将呈现。并且,咱们一向想对锂金属单质做一次文艺复兴。

“谁人没试过犹疑,到达锂想不太易。”

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