动力电池的安全问题——从三星事件谈起
新能源汽车未来发展取决与三大核心问题，包括“里程焦虑”、充电时间过长、充电设施过少和行车安全性。最近三星的“boom 7”事件引发了广泛的关注，锂电池安全再次成为了大众关注的焦点。而对于新能源汽车，动力电池正是其关键核心部件之一，因此，不妨以这个事件为引子谈谈动力电池的安全性问题。
对于三星note 7爆炸事件，目前其爆炸原因主要归结于电池的固有缺陷——note 7使用的是三星SDI制造的“锂离子电池”，而不是目前手机电池中主流的“锂聚合物电池”。那么问题就来了——什么是锂离子电池，什么又是锂聚合物电池，为什么锂离子电池比锂聚合物电池不安全？
锂离子电池严格来说指的是依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的电池，这里所谓的“锂离子电池”其实特指的是电池内部使用液体电解质的液体电解质锂离子电池，即电解质是和水类似的有机液态流体；而所谓的“锂聚合物电池”指的是聚合物电解质锂离子电池，即电解质是和果冻类似的有机聚合物凝胶，二者的区别仅仅是电解质的组成和形态有所不同。早期的锂离子电池均是液体电解质锂离子电池。
液体电解质存在三个问题，一是容易类似干电池一样腐蚀外壳导致电解液泄漏；二是电解液中有机活性成分较聚合物电解质更多，其更容易在热失控情况下和正极材料反应，从而加剧热失控情况；三是有机液体成分较多，在电池热失控情况下可能导致电解质分解成气态，增大电池内部压力，导致爆炸危险。正是因为这三个问题，行业内认为随着成本的下降，聚合物电解质取代液体电解质是一个必然趋势。
从上面的分析我们可以看出只有在“热失控”情况下，液体电解质才有较聚合物电解质更危险。但是事实上一旦进入“热失控”状态，如果不能及时断路避险，那么锂离子电池要么会产生爆炸，要么会引起着火，总之是非常危险的。因此只要设计合理，尽可能避免“热失控”情况，那么“锂离子电池”和“锂聚合物电池”均是安全的。截至此文著成，Note 7国行发行仅一个多月已经出现了6起爆炸事件，如此高的事故频率是非常异常的，即便是早期使用液态电解质锂离子电池的手机事故频率也远小于这个值。在这样一个情况下，笔者认为三星把“锅”甩给所谓的“锂离子电池”这一行为有点避重就轻的嫌疑，事故发生的真实原因可能是三星SDI使用的电池材料或电路设计存在着容易导致电池“热失控”的致命缺陷。
对此不妨将锂离子电池各材料如下表进行分拆。电池工作工程中会产生热量，如果散热出现问题或者极端条件下导致的电池发热过多，那么电池内部的温度会持续升高。当电池内部温度达到约130℃时，一方面使用聚乙烯材料的隔膜会逐步融化，无法起到隔离正负极的作用，另一方面负极表面用于钝化的SEI膜会逐渐分解，失去其保护后的负极更容易在放电过程中结构崩塌，从而更容易与正极新生成的枝晶接触，进而导致最为严重的电池内部短路情况。一旦发生短路，电池内部将持续大量放热，导致温度进一步升高。随着温度的不断升高，电解质成分也会逐步分解，并可能与正极材料发生反应放热并产生气体。在锂离子电池这样一个封闭的体系内产生气体就意味着可能产生爆炸的危险。
对于Note 7一类的手机电池，正极材料主要为钴酸锂。当温度超过180℃，正极材料即会分解放热并放出氧气，随着高温下氧气和电池内有机物质的充分混合和反应，电池就可能会引发燃烧甚至爆炸。当温度进一步升高，达到240℃甚至更高后，电池将变得极为之不稳定，电池内部材料将和其外包装等诸多物质反应，大量放热并直接引发燃烧。综上所述，保障锂离子电池的安全关键在于能否通过充分散热使电池温度不高于130℃并能够在温度更高时及时断路。
对于动力电池来说，其正极材料主要为三元锂和磷酸铁锂。正如上表所列，三元锂材料由于材料组分的差别，分解温度约200-230℃，而磷酸铁锂相对而言更为稳定，直到500℃以上才真正发生大规模分解，且分解不会放出氧气等气体成分。这也就是一直以来各界普遍认为磷酸铁锂电池较三元锂电池稳定的原因，所以才在今年年初的新能源客车上一度暂停了三元锂电池的核准，而只允许磷酸铁锂应用。但一位伟人曾经说过，凡事要学会抓主要矛盾，而通过上表分析，我们不难得出结论电池材料危险的最大短板在于隔膜，安全关键在于热控制系统能否将电池温度控制在安全区间内。
很显然，从主要矛盾来考虑，合格的三元锂电池和磷酸铁锂电池在安全性上并没有本质的差别，这也就是为什么使用三元锂电池的新能源客车终于得以在最新一期的工信部《车辆生产企业及产品公告》中出现的原因。在未来，在保障成本的前提下，研究熔化温度更高隔膜材料将是从材料层面提高锂离子电池安全性的不二途径。
事实上，提高材料的稳定性只是一个治标不治本的方法，只是提高一下出事故的温度阈值而已，一旦达到“热失控”的状态，该来的危险终究还是会来的。而要想真正提高电池的稳定性，釜底抽薪的方案还在于让动力电池拥有一套完备、可靠的电池管理系统（BMS）去及时识别并斩断这个“热失控”的状态，而这就是下一期我们要介绍的话题了。
（来自方旭资本 原创：中国科学院 徐余颛）
查看相关精彩话题：
特别篇：
1、国内新能源汽车行业现状
方旭资本是A类券商红塔证券的直投平台之一，立志于成为具备投行服务能力和价值发现能力的综合性资管平台。
原创：徐余颛，中科院凝聚态物理博士在读。
