電池研究院：新能源汽車為何總是自燃？

　　【太平洋汽車網 技術頻道】新能源汽車蓬勃發(fā)展的這十年，逐漸變大的基數帶來了更多新能源汽車著火事故被報道出來，新能源汽車安全形勢日趨嚴峻。

　　真問真答：平時停車，你會刻意停得離新能源車遠一點嗎？

　　為何新能源汽車自燃是只薛定諤的貓？本文解答不了所有難題，但可以為你揭開最淺的那層迷霧。

　　2013年10月，一臺特斯拉Model S蹭底之后，車載系統發(fā)出警告（蹭底后45-60秒），車主及時逃離（再過數秒），車子很快就燒沒了（離車120秒后），特斯拉股價跌6%（這時抄底特斯拉美股特別爽）。

　　在新型鋰離子電池陸續(xù)裝備新能源汽車的產業(yè)起步階段，每一次電池自燃事故都能成為海內外新聞熱點，對新能源車的不信任從未消停（塞麥爾維斯反射 Semmelweis Reflex），群眾抵制的呼聲更隨著國家推廣新能源汽車的熱情而變得更加“叛逆”。

　　筆者同事買了一臺蔚來ES6，隔壁車位的業(yè)主擔心自燃，“疑似”動用私人關系讓片區(qū)警察上門進行處分（此警察宣稱全廣州市都不允許裝地庫充電樁）并強制要求拆卸，后因現場視頻素材被網絡曝光，“疑似”違法動用關系的隔壁車位業(yè)主才終于消停。

　　我們可以說某些群眾是愚昧的，某些公仆是可以被XX的，但事情根本原因依然是消費者對新能源車（準確來說是動力電池）的不信任。

　　電池是一個比較復雜的儲能裝置，筆者最近想到一個類比，就是大家小時候用的鍍銀保溫瓶，類比如下：

　　1、保溫瓶里頭的水有很多能量，我們看作是電能。

　　2、保溫瓶可以反復填充和使用，二次電池亦是如此。

　　3、保溫瓶和電池都很脆弱，怕冷怕熱怕撞怕，還死重。

　　4、保溫瓶內膽只要碎一個口就會整體毀滅，電池燒一個就很容易火燒連營，損控很難做。

　　5、保溫瓶和電池的工業(yè)化制造都是很精密的（對應各自時代的工業(yè)水平），保溫瓶一開始很貴，宋代皇帝賜給公主的嫁妝就是保溫瓶（民族愛瓶傳統），后來大幅降價飛入百姓家，電池也是如此。

　　6、保溫瓶會自放熱，保溫時長有限，電池也有自放電率。

　　電池熱失控（Thermal Runaway），造成的破壞將是毀滅性的。根據清華大學動力工程及工程熱物理學博士 @姚昌晟 老師的描述：由100節(jié)帶電量100Ah的電芯組成的電池組，失控能量達到240000000J，合57公斤TNT炸藥。所以一旦我們說電池“TR”了，基本上就可以貼這張圖了。

　　正因為對新能源車這種新鮮事物的抗拒（人之常情）、媒體/自媒體只愛報道新能源車自燃（汽柴油車自燃成不了新聞熱點）、好事不出門壞事行千里（完全不懂新能源車的大叔大媽的茶余飯后話題）、動力電池技術的確不夠爭氣（客觀事實），新能源車才會成為眾矢之的。

　　不過，大家大可不必過分擔心，新能源乘用車的著火率正在逐年降低，2019年是萬分之0.38，2020年是萬分之0.18。此外還有兩個要點要提的：商用車的標準更低，質量更差，電池總能量更高，燒起來更可怕；新能源累計產量不足5萬輛的小車企（按接入車輛計算），著火率是超過10萬輛的大車企之5倍。

　　六成新能源車著火事故是電池本身熱失控引起的，三成是充電事故，只有3.6%左右是因為行駛事故中的撞擊。

　　熱失控的機理（學界一般稱為“濫用”）可分為物理和電化學兩大方向，為了讓讀者更好理解，筆者把它分得更細一些：

　　這是最不講武德的物理攻擊，將一根導體（比如直徑3mm鋼針）插入動力電池中，正負極直接短路，熱失控速度超快，幾乎是瞬間就開始對外噴射火焰。

　　穿刺的機理是內部短路，這種情形就像潛水艇在水下被物理擊穿，除了全員殉國之外就沒啥其他可能性了。

　　自2021年1月1日實施的動力電池安全新國標GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，并未引入穿刺試驗，現有的試驗則分為幾類，其中電池單體進行過放電、過充電、外部短路、加熱、溫度循環(huán)、擠壓試驗，電池包或系統進行振動、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環(huán)、浸水、熱穩(wěn)定性、溫度沖擊、鹽霧、高海拔、過溫保護、過流保護、外部短路保護、過充電保護過放電保護試驗。

　　雖然怎么都找不著穿刺試驗，但之前就有自媒體給比亞迪磷酸鐵鋰刀片電池（CTP）做了一個，最終沒起火，只是煮熟了雞蛋。被打臉的寧德時代此后也發(fā)布了新款的安全電池，聲稱“只冒煙不起火”。

　　這種有益車主安全的軍備競賽多多益善。

　　內部短路很好理解，就是單體電池里頭的正負極短接了，相當于自殺。自殺也分為快速自殺和慢性自殺兩種，穿刺其實是內部短路當中的快速自殺，最兇險的一種，立即有報應，直接毀所有。

　　慢性自殺的內部短路就要提到最近兩年我們才更多談起的“鋰枝晶”，其實這個問題已經困擾電池界數十年了，關于它在鋰離子電池中的形成原因，筆者分幾步講講：

　　1、液態(tài)電解質的鋰離子電池在首次充放電時，電極材料和電解液在固液相界面上發(fā)生很復雜的反應，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，其中負極上的SEI膜（Solid Electrolyte Interphase）對電池的影響更大。這層SEI膜具有有機溶劑不溶性，是電子絕緣體所以e^-過不了，同時是良好的離子導體所以Li⁺很愉快地過去了。

　　2、SEI功勞這么大，結果就是有一種叫“鋰枝晶”的東西要毀掉它。當鋰離子在負極表面不均勻沉積就會成為鋰枝晶的反動小團體（析鋰效應 Li Plating 造成的 鋰轉化 Conversion），最可怕的是它還會繼續(xù)不均勻生長下去，變得更長、更粗、更尖，“雨后春筍”一般。

　　3、當春筍長到一定程度，就會自然收割（靠近負極部位溶解），鋰枝晶脫離電極，成為失去電化學活性的“死鋰”，電池容量降低。

　　4、降容還只是最小的事，大不了充電頻繁一些。最無語的是這些鋰枝晶還會刺破電池SEI隔膜（有學說否定這個說法），內部絕緣狀態(tài)被打破，內部短路，自燃，釋放小宇宙，進而火燒連營。

　　P.S. 鋰枝晶生長的速度與Li⁺偏移速度正相關，所以快充更容易生成鋰枝晶，電池循環(huán)次數多則有更多鋰枝晶（老舊電動車更容易自燃）。

　　P.S. 鋰枝晶是一個很大的話題，之后再另辟長文展開，夏至前寫出來（反正我又沒承諾哪一年夏至），保證不太監(jiān)。

　　快充之所以快，就是強行使鋰離子快速從正極嵌出并嵌入負極，增大鋰離子的流量與速度。強扭的瓜不甜，快充會影響SEI的穩(wěn)定性，還會在短時間內帶來比較大的發(fā)熱量，發(fā)熱也不均勻。

　　這時候我們要提一下電池領域的三個溫度：T1 自生熱起始溫度、T2 熱失控引發(fā)溫度、T3熱失控最高溫度。T2是一個很關鍵的溫度，其機理在學界還沒研究透徹（摘自歐陽明高院士演講稿）。

　　當然，因為有冷卻系統的存在（風冷或者液冷），且電池換能效率特別高（熱效率高于95%不少，不像內燃機那么弱雞），電池沒那么容易到達T2。

　　這時候最魔幻的事情來了：析鋰效應可以大幅度降低T2。

　　配合“快充讓電池發(fā)熱量高且不均勻”這一條，電池內部一不小心到達T2熱失控引發(fā)溫度，完犢子了。

　　充電過程中，Li⁺從正極化合物脫出到達負極晶格，正極處于高電位的貧鋰態(tài)，負極處于低電位的富鋰態(tài)。為了平衡電荷，相同數量的e^-從負極脫出，嵌入正極。放電過程，反推即可。

　　如果過充電（over charge，充滿了還繼續(xù)充），就會有過量的Li⁺嵌入負極，正極則因為Li⁺的過度脫嵌導致結構崩塌（發(fā)熱+氧釋放），氧氣的釋放還會進一步造成電解質分解，電池內部壓力增加，熱失控風險大增。

　　小時候玩四驅車的時候，多數小朋友都會選擇過充電，以此獲得更好的比賽成績。只是過充電之后，鎳氫電池的內部結構會崩塌，最終“爆漿”。

　　另有研究表明，過放電過程中負極的溫度始終高于正極，當內部短路出現時，熱量在繞卷中積聚，進而增加熱失控風險。

　　很多朋友應該遇到過，智能手機和筆記本電腦的鋰離子電池用到3-7%左右，系統會自動關機/進入待機狀態(tài)。這是系統在防止電池過放電（over discharge，低于門限電壓繼續(xù)放電）。

　　如果過放電發(fā)生得過于劇烈，最低電壓的那節(jié)電池就會發(fā)生“反極”（類比成泰國變性？），這節(jié)最弱小無助的電池會被其他串聯電池進行反向充電，電壓是負值，活性物質結構崩塌，等效成一個電阻，異常發(fā)熱，Game Over。

　　這里統一說四種類型的濫用，都是外部環(huán)境給電池包的物理攻擊，以下描述一下GB 38031-2020會對受測試電池包做什么：

　　1、振動：SOC 50%以上，根據標準頻率在x、y、z方向各振動1小時，模擬車輛顛簸。

　　2、擠壓：測試方式是擠壓整體尺寸的30%，模擬車輛被受力擠壓。

　　3、碰撞：整車質量3.5噸一下的受測試對象，x方向加速度最大28g，y方向最大15g，模擬車輛被碰撞。

　　4、火燒：0℃下，用汽油火盤給預熱60秒、直接燒70秒、隔著耐火隔板燒70秒（或繼續(xù)直接燒60秒）、靜置觀察2小時，模擬車輛被火燒。

　　以上四種工況，都是行車途中可能遇到的，其中車輛顛簸最常見，如果電池本身機械性能太菜，或者模組造得不結實，均有一定風險，當然這種可能性很低，之前有新能源車因線束固定不牢固被召回也不是電池包內部線束。

　　擠壓、碰撞、火燒都是車輛碰撞中可能衍生的濫用，有可能造成電池結構崩塌、SEI膜撕裂、電解液泄露、內部短路等問題。

　　初中時候我們學過外部短路，正負極在電阻非常小的情況下連接成通路，因為I=U/R，所以電流過大，熱量過多，電池受損。平時我們手握5號電池正負極，電池不會因此完蛋，是因為人體電阻有100000Ω那么大。

　　在國標的試驗中，電池要在僅僅5mΩ的外部線路中短路10min，通過了才能上市銷售。

　　造成外部短路的原因有很多，除了剛剛說到的碰撞，還有導體污染、浸水等。其中浸水是個很大的問題，2012年美國Fisker有16倆Karma就是因為在紐瓦克港被颶風Sandy次生的海水倒灌淹到了頂，隨后自燃成了廢鐵。誰說水火不容的？電池能讓水災轉身變火災……

　　浸水還會讓BMS失效，電控失效之后，就如航母被打掉了艦島，接下來發(fā)什么神經你也別太驚訝，一切皆有可能。

　　外部短路的禍首是熱量，所以在達到T2之前掐掉短路，或許還有得一救。如果是電動自行車雨天在外充電起火，那還是別去救了，趕緊拉閘、滅火、報警、逃離，惹不起惹不起。

　　電動汽車的絕緣和BMS做得好很多，雨天充電沒啥問題，別讓充電插頭灌了水就行。目前大廠家的電池包都有IP67防護等級，7代表電池包在1米深的水里面可以泡30分鐘不失效，但非常不建議大家拿去涉水，電池包不進水，其他零部件泡了這么臟的水也是不行的，車況會迅速老化。

　　所以那些自以為是開上了電動汽車就可以隨意涉水不怕熄火的朋友，下次請悠著點了。

　　單體電池（電芯）熱失控并不可怕，可怕的是鋰離子是自備燃燒條件的，在每個單體電池里面都有還原劑和氧化劑，萬事俱備，連東風都不用，直接上“鏈式反應”，愛因斯坦騎單車圖來一個。

　　所以，絕大多數單體電池都是被帶節(jié)奏給帶起來的，別睡了起來嗨，來一曲《愛的供“氧”》，沒多久就嗨過頭了，TR王炸，天地滅。

　　目前多數電動汽車改裝都不屬于“汽車改裝”，應該屬于最low的“汽車化妝”，不動電氣線路的話影響不大，只是風阻更大些、續(xù)航更低些而已，基本無公害。

　　最麻煩的土法改裝是PHEV插電式混合動力車型“慢充改快充”，這草根改裝法的原理是利用機艙內電控器接口接入動能回收系統，用全車唯一大功率的動能回收線路進行快充，最高可以改到30kW充電功率。

　　無論動力電池是否有快充能力，其實都具備高倍率充放電的能力，只是受損狀況是不明晰的，本身有快充能力的電池可以更多次地快充快放，本身無快充能力的電池只能“折壽”……

　　說動能回收系統的充電倍率只有3C左右，理論上不會對PHEV動力電池造成太大的傷害，但若動力電池本身就沒做太多冷卻優(yōu)化，長時間大功率充電也會有熱失控自燃風險的，工程師在做初始標定的時候根本就沒想過車主要開車“連續(xù)下坡1.5小時”。當然，目前PHEV改快充之后都是著車充電的，液冷系統循環(huán)會跑起來，熱失控的可能性比較低，但若遇上風冷系統，這一臺靜止的車就有風險了，而且保險對這種土法改裝還是大額免賠的。

　　包含且不限于：

　　條件允許的話，慢充為主，快充為輔。不過因為很多家庭都沒有固定車位和私家充電樁，所以這個理想的模式并不好操作。

　　當然，快充自燃的概率很低，最損害電池健康的還是過充電與過放電。為了防止過充電，可以自行限定SOC不到100%（之前蔚來就在自燃事故之后限定過SOC不能超過90%）；為了防止過放電，就不要每次都把電量用盡再充。

　　目前來看，HEV非插混與PHEV插混的自燃事故很少，主要是因為HEV和PEHV沒有續(xù)航焦慮，不需要過充，電池不會像漲到快炸的能量包。

　　盡量不要魔改，盡量不要涉水，盡量不要暴雨天充電，電池熱失控之后趕緊全員跑路并報警，救不回了就別勉強。

　　改良BMS電池管理策略，盡量避免過充電和過放電，外部短路盡快處理，熱失控早期進行預警，熱失控后系統自動通知消防和醫(yī)院（以后或許可以OTA成功）。

　　冷卻系統的效率也很重要，風冷廉價但極限低，液冷昂貴但靠譜些。一套好的冷卻系統不是在電池熱失控時進行損管，而是提供一套“讓電池始終舒適”的溫控方案，盡可能延緩鋰枝晶生長的速度。

　　提升正極、負極、電解液、隔膜的熱穩(wěn)定性是很難的事情，特別在高鎳/低鈷無鈷配方盛行的時代背景下。高鎳意味著高容量（炸彈內餡更豐滿），低鈷無鈷意味著低穩(wěn)定性，這種正極材料將是目前和將來多年的主流。

　　更堅韌的SEI隔膜，更穩(wěn)定的固態(tài)電解質，這些都是可能實現的解決方案之一。如果能延長熱失控的時間，將逃生時間從2分鐘增加到30分鐘左右，新能源汽車自燃的致死概率將大幅度降低。

　　目前最容易實現的方案應該是增加更多阻燃劑或其他輔助劑，讓電池配方更加不容易自燃。現在已有廠商宣稱造出了“只冒煙不自燃”的電池，是否真實還得看上車上路后的效果。

　　動力電池配方們現在很糾結，我們一方面要求它足夠活潑，充電速度快、放電功率大；一方面要求它足夠淡定，遇到撞擊、浸水、加熱、過充放都不會熱失控。

　　這很人格分裂好不好。對了，成本還不能高，高了賣不掉。“我要五彩斑斕的黑色”，害，一聽需求就知道是老甲方了。

　　防塵、防水、隔熱、阻燃、防呆，這些項目都可以繼續(xù)加強，但成本和重量可不能無限制加上去。

　　泄壓閥當然還是要有，防止爆炸當然是好事，不過肯定會有副作用，2019年4月上海徐匯區(qū)裕德路泰德花苑小區(qū)地下車庫的Model S自燃就對旁邊泄壓，把旁邊的奧迪直接燒透了。

　　新能源車的保養(yǎng)周期比汽柴油車更長，電池健康狀態(tài)如何一直都是未知數，僅靠車載BMS去監(jiān)控，能做的事情有限。

　　如果經銷商能在車輛保養(yǎng)期間對動力電池進行全面檢修，老車老電池自燃的概率會降低。蔚來為代表的換電模式，在電池健康檢測方面有天生的優(yōu)勢。

　　目前六成的熱失控都是電池內部崩塌自燃，罪名多數都套給鋰枝晶（是否正確還沒有定論），所以我們就要監(jiān)控析鋰效應發(fā)生的進度，有損的檢測方式包括核磁共振波普技術、光學顯微鏡技術、透射電鏡技術等，均需要拆開電池包；無損診斷的方式包括阿倫尼烏斯曲線、內阻－容量曲線等方式。

　　如果熱失控無法避免，起碼得有一個東西兜底，那就是商業(yè)保險。

　　目前中國消費者購買新能源車，保險條款與汽柴油車是一致的，并沒有對新能源車主權益進行特定的保護。新能源車的推廣是國家意志，未來新能源車必然是主流，保險行業(yè)暫時還沒跟上節(jié)奏。

　　這個問題很難回答。

　　就如筆者剛剛所言，我們一方面需要車子充電更快、加速更快，一方面需要車子不易自燃，那么動力電池配方不能在你需要它活潑的時候一定不穩(wěn)重，需要它穩(wěn)重的時候一定不調皮。就算有解決方案，目前也一定不便宜。

　　在有限的預算和技術下，我們當前能做的事情是：盡量買大品牌的動力電池和新能源車，不要過充電/過放電，不要去涉水。

　　接下來很長一段時間內，動力電池安全都將是業(yè)界最重要的話題（刷續(xù)航逐漸成為低級攬客手段），充分競爭下的動力電池行業(yè)，會逐漸涌現出一批價格合理的安全電池。

（圖/文/攝：太平洋汽車網 黃恒樂）