新能源電動汽車耐高溫動力電池前沿技術(shù)綜述

新能源電動汽車耐高溫動力電池前沿技術(shù)綜述

Summary:鋰離子動力電池因具有諸多優(yōu)點，被認為是目前最適合用作電動汽車動力源的儲能裝置。然而安全問題一直是縈繞電動汽車的一個不可避免的話題。本文通過闡述國內(nèi)新型高溫動力電池的技術(shù)關(guān)鍵點和優(yōu)缺點，為其他研究者提供更加廣闊的動力電池高溫性能設(shè)計思路。Keys:新能源汽車動力電池?zé)崾Э?引言現(xiàn)如今，我國大力推廣純動力家用汽車的使用，在深圳、廣西、海南等城市已經(jīng)出文規(guī)定，2030年不再售賣傳統(tǒng)燃油汽車[1]。鋰離子動力電池相較于其它類型的動力電池具有較高的功率密度及較低的自放電率等優(yōu)點，成為目前商用電動汽車上主力儲能裝置，國內(nèi)的電池廠商在“十二五”，“十三五”，“十四五”規(guī)劃發(fā)展的機遇下，鋰離子動力電池技術(shù)得到高速、全面的發(fā)展[2]。然而，動力電池的高功率和電壓平臺也帶來了不可忽視的高溫環(huán)境下熱失控問題，嚴重時會出現(xiàn)燃燒甚至爆炸的現(xiàn)象，因此必須采取有效的管理手段實現(xiàn)對電動汽車動力電池系統(tǒng)的安全保護，規(guī)避上述安全隱患的發(fā)生。1.1磷酸鐵鋰模塊動力電池寧德時代的無模塊直接集成到動力電池組（簡稱：CTP技術(shù)）是改變動力電池模塊結(jié)構(gòu)的重大突破技術(shù)之一[3]。該技術(shù)通過簡化模組結(jié)構(gòu)，取消頂板、側(cè)板等零部件優(yōu)化排列，每個模塊通過緊固件連接到電池托盤上，最后將電池組固定到不同的橫梁上，省去了組裝環(huán)節(jié)，降低了動力電池總成本。此外，寧德時代CTP技術(shù)將一個大的模塊通過若干個塑料散熱片分割成小模塊，增加了散熱比表面積，通過導(dǎo)熱硅膠墊片和冷卻通道保證動力電池模塊極端環(huán)境下的高安全性。寧德時代相關(guān)報道顯示，采用CTP技術(shù)的電池模塊中電池包零部件數(shù)量減少40％，但是利用率提高了15％－20％，生產(chǎn)效率提升了50％，能量密度提升了10％－15％。寧德時代的CTP技術(shù)為新能源汽車動力電池模塊的發(fā)展開辟了新的賽道，做到了低成本、高空間利用率、高能量密度與高安全性結(jié)合。更符合未來新能源電動汽車的發(fā)展趨勢。1.2刀片模塊動力電池比亞迪的刀片動力電池是近年來轟動整個新能源汽車行業(yè)的電芯技術(shù)之一。刀片電池也叫長電芯方案，是一種通過增大電芯的長度，將電芯扁長化設(shè)計，來進一步改進動力電池包集成效率的技術(shù)。刀片電池最明顯的優(yōu)勢在于散熱效果好，難點在于整個電芯的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度穩(wěn)定性方面[4]。與傳統(tǒng)的圓筒型設(shè)計相比，刀片動力電池采用長0.6米以上的大動力電池單元，可以提高動力電池組的空間利用率和能量密度。此外，刀片動力電池更大的比表面積所帶來的優(yōu)異散熱性能也利于高溫環(huán)境下的正常工作，帶來了不可比擬的高安全性。比亞迪的動力電池通常采用高安全性的磷酸鐵鋰，但是其降低的能量密度導(dǎo)致駕駛員不可避免的由續(xù)航焦慮，降低了駕駛體驗感。對比亞迪來說，刀片式動力電池具有更深的戰(zhàn)略意義。1.3大禹體系動力電池長城汽車主要攻克方向在電池的熱擴散和熱失控導(dǎo)致的安全問題。目前，長城汽車的大禹動力電池采用八大核心技術(shù)：熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧，以及智能冷卻，最終可實現(xiàn)“電芯化學(xué)體系全覆蓋”、“任意位置電芯”、“單個或多個電芯”觸發(fā)熱失控的情況下都能實現(xiàn)不起火、不爆炸[5]。從官方數(shù)據(jù)可知，研究人員將多個電芯集聚觸發(fā)熱失控，當溫度最高達到1037℃、動力電池包內(nèi)氣壓達到三次高峰、瞬間最高氣壓約16kPa時，電池模組可以通過尾部滅火盒設(shè)計，將外溢煙霧最高溫度控制在100℃以下。大禹動力電池主要設(shè)計思想在“導(dǎo)”、“疏”的過程?！皩?dǎo)”通過雙向放流和定向排爆精準化設(shè)計，讓熱源流動，不聚集；“疏”在流動過程中會就近快速疏導(dǎo)到通道之中，在高壓之下快速排出包外，排出之后通過材料抑制減少長時間傳導(dǎo)。1.4“彈匣”體系動力電池在2020年3月,廣汽埃安就發(fā)布了新一代動力電池安全技術(shù),簡稱彈匣動力電池[6]。彈匣動力電池通過高性能電池管理系統(tǒng)精準把控電芯參數(shù)，起到中央調(diào)節(jié)作用，再利用高強度的彈匣外殼把失控單元限制在單一隔艙之內(nèi)，避免熱擴散。廣汽埃安公布的針刺試實驗顯示,實驗過程中只有被刺電芯模塊出現(xiàn)了熱失控,沒有影響到動力電池包的其它電芯。被刺電芯雖然出現(xiàn)短暫冒煙,但是并無起火和爆炸現(xiàn)象。48h后,電壓降至0V,溫度恢復(fù)至室溫。值得注意的是，本次實驗中采用的是高溫性能不佳的三元鋰離子電池而非磷酸鐵鋰鋰離子電池。廣汽埃安彈匣動力電池采用超高耐熱穩(wěn)定的電芯和良好降溫功能的速冷系統(tǒng)，結(jié)合高性能電池管理系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)摸底，保障整體電芯的高安全性。1.5“琥珀、云母”體系動力電池琥珀電池，顧名思義，就是將每各電芯用隔熱材料包裹起來，像琥珀一樣。電芯與電芯之間填充隔熱材料,使電芯成為一個個獨立的個體避免單個電芯出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致整個電池包發(fā)生熱爆炸[7]。為了證明琥珀動力電池的高溫安全性能，嵐圖直接將琥珀動力電池包內(nèi)部加熱,把其中一顆電芯以及周邊的電芯溫度加熱到300°C,實驗結(jié)果顯示,嵐圖琥珀動力電池在觸發(fā)熱失控后,動力電池包不冒煙、不起火、不爆炸。云母電池,其機理和琥珀電池相似,兩者均采用“三維隔熱墻”技術(shù),區(qū)別在于云母電池在電池包內(nèi)加入層狀A(yù)l-Si云母和氣凝膠,隔熱材料含量少，琥珀電池隔熱材料含量高，動力電池的能量密度相對低。1.6果凍電解液動力電池2020年12月2日，蜂巢能源科技有限公司先發(fā)布果凍動力電池。果凍動力電池是一種應(yīng)用了新型果凍狀電解質(zhì)的鋰離子動力電池，具有自愈合、阻燃等特點，可以實現(xiàn)動力電池電性能與安全性能的兼得，在幾乎不降低電性能的同時阻止熱擴散[8]。蜂巢能源動力電池日上發(fā)布，果凍動力電池的電導(dǎo)率僅僅只有6mS/cm，與同材料體系的電解液動力電池的電化學(xué)性能相差無幾。在150℃的熱箱試驗中，果凍動力電池在滿電針刺試驗中，可以實現(xiàn)不起火、不冒煙。1.7熔巖動力電池2021年3月，由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所與國內(nèi)外六家大學(xué)和科研機構(gòu)合作研制出新型高溫熔鹽動力電池[9]。高溫熔鹽動力電池以高溫下熔融金屬釔摻雜氧化鋯制成的納米固體氧化物粉末做為電解質(zhì)，負極活性物質(zhì)為鐵和鋅，正極活性物質(zhì)為空氣的電池材料。研究發(fā)現(xiàn)，當納米粉末與高溫熔鹽的質(zhì)量為1：1時，會形成一種網(wǎng)絡(luò)框架，將高溫熔鹽固定在這種網(wǎng)絡(luò)框架中，抑制高溫熔鹽的揮發(fā)與流動，這種半固態(tài)結(jié)構(gòu)，顯著提高了動力電池的安全性。試驗結(jié)果顯示，動力電池組裝與測試在立式高溫管式爐完成，經(jīng)過80次充放電循環(huán)，動力電池的容量保持率接近98%，能量密度更是達到380Wh/kg。3結(jié)論從國內(nèi)目前推出的新型耐高溫動力電池技術(shù)看，避免動力電池出現(xiàn)熱失控事故需要硬件與軟件相結(jié)合的方式。硬件是針對電極材料，組成結(jié)構(gòu)、尺度、布局或運行過程中的化學(xué)機理，進行產(chǎn)熱、傳熱、散熱設(shè)計。軟件是指通過大數(shù)據(jù)和電池管理系統(tǒng)，對包括電壓、電流、溫度等動力電池特征數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。通過硬件和軟件的結(jié)合，相信在不久的未來，新能源電動汽車將不再畏懼高溫。Reference[1].《新能源汽車藍皮書》[M].2019,公安部交通管理局.[2].《強化應(yīng)對氣候變化行動--中國國家自主貢獻》[M].2015,國務(wù)院.[3].《寧德時代2022麒麟電池發(fā)布會》[N].2020,劉暢延.[4].《比亞迪發(fā)布刀片電池》[N].2020,中國日報網(wǎng).[5].《長城汽車2025戰(zhàn)略發(fā)布會暨第8接科技