電動車連環起火“沉思錄” 高鎳電池如何跨越安全門檻？
時間:2018-09-10 09:27來源:高工鋰電網 作者:綜合報道
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接連頻發的電動汽車起火事故，讓動力電池的安全問題又一次推到了輿論的風口浪尖。
高工鋰電初步統計，就在過去的短短一周之內，已經接連發生近10起電動車起火事件，而進入2018年以來，國內大大小小電動車起火事故已經超過50起，涉及客車、物流車、乘用車等不同車型，且有不斷蔓延增長的趨勢。
8月19日，深圳龍華區觀瀾中心花園附近，一輛純電動微面發生起火燃燒；8月25日位于成都的威馬研究院園區內，一輛威馬EX5電動車突然起火自燃；8月26日晚，安徽銅陵市一輛安凱純電動公交車爆裂起火自燃；8月31日，廣州市一輛力帆650EV純電動轎車起火自燃；9月4號深圳市平湖華南城附近一輛純電物流車起火自燃……
不僅是在國內，國外類似事件也正在增多，這其中，最受關注的就是特斯拉，今年3月，美國一輛ModelX撞車起火，結果導致一名蘋果工程師死亡；今年5月，還是美國，三名青少年駕駛一輛ModelS發生車禍，汽車起火，導致2死1傷……
必須正視的是，全球電動化的大趨勢下，安全隱患已經成為全行業無法繞開的一個“不定時炸彈”。
就在上周召開的泰達汽車論壇上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高一針見血的指出，純電動車面臨的最大風險，就是電池安全性。
事實的確如歐陽明高所言，從國內來看，受到政策“指揮棒”導向，能量密度成為動力電池企業的一致追求，進入2018年，更高能量密度的高鎳體系材料導入正成為主流企業的共同選擇，而如何在導入新體系時，把控好安全這個大前提，是動力電池企業的“頭等大事”。
“從全球的大趨勢來看，盡管高鎳體系已成為一致共識，并且日本松下的NCA圓柱18650電芯在特斯拉上已有批量規模化應用。但是像三星、LG這樣的企業，有意放緩其高鎳產品的量產時間表。這背后釋放的一個潛臺詞是，在高鎳體系之下，安全問題依然還沒有被完全攻克，這需要全行業保持警醒。”廣東邁納科技有限公司(下稱“邁納科技”)總經理劉橋向高工鋰電如是判斷。
梳理分析接連發生的電動汽車起火事件，大部分原因都指向了電池，而對于電池熱失控的原因進行追溯，則包括過熱、過充、內短路、碰撞等關鍵因素，涉及到電芯級規格選型、材料控制、生產制造品質控制、模組及pack級的安全防護、使用環節操作等多個層面的原因。
對于電池企業而言，要保障電池安全，首先應該關注的是防范因內短路觸發熱失控，這其中，最為關鍵的是要從材料、工藝、制造環節來規避因為電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等造成的電芯內短路。
而作為電池制造的第一個環節，正極材料的選擇最為關鍵。
“核心材料的選擇對于最終的電芯產品安全會直接產生影響。”劉橋向高工鋰電介紹，電芯的安全很大程度上取決于核心材料，尤其是對于高鎳三元體系而言，正極材料的金屬異物含量、殘余鋰以及PH值，會對電芯的安全性能影響非常大。尤其是風頭正勁的軟包電池，高鎳化應用除了生產環境濕度控制(Rh小于10%)外，對材料的殘留鋰/PH值/金屬異物控制要求會更高。
首先，正極材料的金屬異物含量越高，電芯自燃安全性風險就越高。但事實是，國內很多正極材料及電芯廠家并沒有形成一種標準化的流程和方法來監測金屬異物，很難對材料中金屬異物含量進行真實性地評價。
據了解，正極材料中的金屬異物一般分為磁性金屬粉、非磁性金屬粉、弱磁性金屬粉三類。
其中，磁性粉(Fe)是引起電芯自燃的主要原因之一。國內的材料廠主要是通過除鐵器去除Fe雜質，但實際上僅采用除鐵器的方法控制材料中殘余Fe的含量是不夠的，像含氧化鐵弱磁性粉就很難管控好。
另外，Cu、Zn等非磁性金屬粉也是引起電芯自燃的重要原因。而非磁性金屬粉混入正極材料中，材料廠和電芯廠是無法檢測出的，且Cu、Zn等非磁性金屬粉在電芯使用循環過程中一定會產生枝晶。由于枝晶逐步生長刺穿隔膜從而導致正負極短路，電芯內部急劇發熱從而導致發生燃燒起火。
同時，弱磁性金屬粉也是引起電芯自燃的主要原因之一。在正極材料當中，國內的材料廠家能截留住的并不多，譬如含鐵弱磁性金屬粉的含量是很難檢測出。
除了金屬異物，正極材料的殘余鋰也是引起電芯安全熱失控不可忽視的因素，正極材料的殘余鋰在偏高的情況下，會造成電池廠在勻漿的過程中出現果凍狀等不利因素而影響料漿涂布，且殘余鋰在電芯的循環使用過程中，會增加副反應發生的程度。
同時，正極材料中的碳酸根離子含量在偏高的情況下，對電芯的高溫儲存、高溫循環方面有不利影響。碳酸根離子在電池高溫循環過程中，部分會分解產生二氧化碳氣體，從而造成電池內壓增大甚至發生氣脹乃至爆炸。
對比國內外企業對于上述幾個環節控制的關鍵指標來看，GGII的結論是：國內主流企業都還面臨不小的問題，與日韓企業還存在明顯的差距。
劉橋介紹，從松下、三星、寧德時代等國際高端客戶的需求來看，在保證容量與循環等基本性能的情況下，其對于核心關鍵指標也有嚴格的要求，譬如殘留鋰需要控制2000ppm以內，PH值11在以內，金屬異物在20ppb以內。然而，國內的現狀是，大多數材料廠家：殘留鋰指標可能超過3000ppm，PH值指標在11.6左右，金屬異物指標超過100ppb，尤其對于高鎳三元動力級材料，國內材料廠的指標基本上無法滿足客戶的全部要求。
也正是看到目前國內的材料環節存在的現實瓶頸與難題，劉橋于2016年籌建了邁納科技，擁有一支技術積累深厚的高鎳三元材料產業化技術合伙人團隊(具有中/日/德背景)，團隊成員均有豐富的產業化研究和實踐經驗。公司的發展目標是致力于成為國內高端鋰電材料供應商，為客戶合作定制開發高鎳三元材料產品，滿足客戶在性能、成本及供應上的要求，特別是對材料安全性能的要求。
高鎳體系電池的產業化，材料是第一步，而材料安全則是邁開第一步必須要解決的一道坎，這也是邁納科技參與市場競爭的核心利劍。
劉橋介紹，基于團隊成員在鋰電領域多年的產業化經驗，對標日本技術工藝，從材料的廠房設計、設備選擇、工藝控制上提出了針對性的解決方案，以此確保材料的真正安全性，性能最佳。
(1)廠房定制-正壓+無塵車間
通過防潮解處理，正壓車間設計，人流物流分離等進行異物控制。
(2)特殊處理-關鍵設備全部定制
通過對窯爐等關鍵設備進行定制和原材料預處理，能夠確保氫氧化鋰和前驅體在高溫窯爐中能夠更完全地參與反應，從而使材料表面殘余鋰達到更低水平。
(3)獨特的水洗工藝
在工藝控制上，其采用了獨特的水洗工藝，將水洗過程中水分對材料的破壞程度做到最小，容量與循環性能最大限度地保持，而又能顯著去除材料表面殘余鋰，能夠將材料的殘余鋰總含量控制到1500ppm水平以內，PH值控制在11以內。
(4)金屬異物管控技術
在金屬異物的管控上，邁納科技的思路是，以外部不引入，內部不產生的原則進行管控。創新性地設計正壓無塵車間，嚴格控制工廠內部人流和物流分離。采用更合理的生產工藝流程，且對關鍵設備進行定制，可將材料的金屬異物總含量控制到20ppb以內。劉橋表示，對于非磁性金屬粉導致的電芯燃燒，我們在材料環節是可以杜絕的。
總而言之，邁納科技通過自己獨特的核心技術工藝，在滿足材料本身容量，循環等基本指標情況下，能顯著降低材料的殘余鋰含量與PH值，并將金屬異物含量控制到非常低的水平，確保材料的真實性評價與批次穩定一致性。
基于上述思路和產業化的經驗，截至目前，邁納科技小試階段材料樣品已達到國際領先水平。客戶測試數據顯示，其樣品制備的半電池在0.1C，2.75V-4.2V情形下，克容量可達210.8mAh•g-1；全電池在25℃常溫循環560周的容量保留率為95.8%，材料循環壽命在2200周(80%保留率)；45℃高溫循環540周的容量保留率為87.7%，材料循環壽命在850周(80%保留率)；-20℃低溫，0.5C放電時，其容量保持率70%。
高工鋰電獲悉，目前，邁納科技正在進行融資，且與項目落戶地區政府已達成初步合作協議，在浙江籌建一期年產8000噸動力鋰電NCM811/NCA正極材料產線。
“高鎳時代，安全將始終是車企和電池企業必須時刻警醒的達摩克里斯之劍，從材料-電芯-模組-pack-車，每一個環節的疏忽都可能導致不可挽回的損失，而作為正極材料企業，在材料端保證原材料的安全，消除影響安全的不利因素，同時保證產品性能，這將會成為高端電池企業選擇供應商的核心考量因素，邁納科技信心十足。”劉橋自信的表示。
(責任編輯：子蕊)
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