1．現(xiàn)實的隱慮

    新能源汽車在降低能耗、減少二氧化碳排放等方面具有顯著的優(yōu)勢，被視為未來汽車的發(fā)展趨勢，近年來世界各國也紛紛出臺政策與措施，以支持本國新能源汽車的發(fā)展。隨著我國“十城千輛”工程的逐步推進，各新能源示范城市甚至部分未列入試點的城市，都相繼在公共交通、出租、郵政環(huán)衛(wèi)等領域投放了批量的純電動汽車、插電式混合動力汽車以及混合動力汽車，新能源汽車逐漸出現(xiàn)在公眾的視野當中。然而在新的技術帶來綠色出行理念的同時，在國內(nèi)外發(fā)生的數(shù)起安全事件，尤其是近期深圳的“5.26”比亞迪E6電動出租車事故，危及到了生命，引起了公眾對新能源汽車安全性能的擔憂，而這些擔憂的焦點集中到了新能源汽車所裝配的電池組身上。

    鋰離子電池作為目前新能源汽車的能量儲存體，最先商業(yè)化于上世紀90年代初，并逐漸廣泛應用于各類消費類電子產(chǎn)品中。在某些極限的條件下，由于電池遭到濫用，本身內(nèi)部微短路或外部短路，巨大的能量可能導致電池內(nèi)的有機物質(zhì)燃燒，從而引發(fā)事故，類似的情況在消費電子領域也有相關報道。相比消費電子產(chǎn)品的應用，新能源汽車中所使用的鋰離子電池組單體容量更大，串并聯(lián)數(shù)更多，同時使用的環(huán)境更嚴苛，從安全的角度來說也存在著更大的風險，民眾對電池安全的擔憂并非沒有道理。

    2．影響鋰離子電池安全的內(nèi)部因素

    在新能源汽車領域，電池組的設計是車輛整體設計的重要組成，工程師們對電池組的結構設計，熱管理等方面進行過全面考量，并通過嚴格的測試，以滿足電池適宜的工作環(huán)境，從而保證司乘人員的安全。但如何提高電池自身的安全性，是解決電動汽車安全問題的核心課題。

    鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、隔膜以及電解液組成。作為一個化學電源體系，在設計的工作條件范圍以內(nèi)一般不容易發(fā)生安全事故；而在某些極端條件下，如高溫、過充、過放、外部短路或針刺擠壓等，各組成部分自身的變化及相互作用都有可能影響電池安全。針對各組成部分而言：

    1) 正極材料。常見的正極材料包括鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、三元材料（NCM）、磷酸鐵鋰（LFP）等。不同的正極材料在接近其熱分解溫度時可能分解并與電解液發(fā)生放熱反應；電池在高電壓過充狀態(tài)下，鋰離子從正極材料過度脫出，其強氧化性可使電解液氧化,。正極材料與電解液之間的放熱反應會產(chǎn)生大量的熱量，當這些熱量無法散逸, 電池溫度會繼續(xù)升高, 進一步加快放熱反應, 最終導致電池熱失控。

    2) 負極材料。鋰離子電池大多采用石墨作為負極材料，在過充（有時甚至是正常充放電）時，鋰離子容易在負極堆積形成鋰枝晶，刺穿隔膜形成電池內(nèi)部短路，并與電解液反應生成可燃性氣體，這是鋰離子電池最大的安全隱患。

    3) 隔膜。商用的隔膜為多孔PP/PE材質(zhì)，厚度一般為20-30微米左右，是正極材料與負極材料間唯一的屏障，當電池發(fā)生外部短路或受到針刺擠壓時，很容易導致隔膜的破裂，造成短時間內(nèi)的大電流，使得電池內(nèi)部溫度升高，并在極短時間內(nèi)引發(fā)系列的劇烈反應。

    4) 電解液。常用的電解液通常為有機物，電池在極端情況下發(fā)生的冒煙、燃燒甚至爆炸，與其有直接的關聯(lián)。與電池體系不匹配的電解液，在電池短路或電壓過高時會被分解，瞬間產(chǎn)生大量氣體，導致電池內(nèi)部壓力升高，嚴重時會導致脹氣或沖破殼體。

    對于這些鋰離子電池存在的可能的安全隱患而言，在非正常使用情況下，常用的碳負極所引起的鋰枝晶析出最容易發(fā)生，是電池安全的短板。針對各組成部分在電池安全方面存在的問題，業(yè)內(nèi)也在積極進行相應的改進研發(fā)，如開發(fā)正極材料時考慮其高溫穩(wěn)定性以及耐過充特性；在隔膜開發(fā)中注重其防穿透能力及閉孔阻隔特性；開發(fā)高電壓電解液等；而鈦酸鋰（Li4Ti5O12，LTO）作為負極材料取代石墨，使得鋰離子電池在安全性能上得到了很大的提升。

    3．鈦酸鋰（LTO）電池技術特點

    鈦酸鋰（LTO）材料用于電池開發(fā)始于20世紀90年代，其作為負極材料應用，相對碳負極有較大的優(yōu)勢，近年來受到很大的關注。

    LTO為尖晶石結構，理論比容量為175mAh/g，實際比容量可達165mAh/g，并集中在平臺區(qū)域。LTO是一種零應變材料，如圖1所示，鋰離子在嵌入與脫出時晶格常數(shù)與體積變化都很小，具備極優(yōu)的循環(huán)性能；而石墨的層狀結構在鋰離子嵌入脫出時通常產(chǎn)生層間形變，并隨著嵌脫次數(shù)的增加而導致結構塌陷。LTO材料不與電解液發(fā)生反應，無SEI膜形成；更重要的在于LTO的電勢比鋰金屬高，不易析出鋰枝晶，使得鈦酸鋰電池相對其他實用碳負極材料的鋰離子電池在根本上更安全。

圖1. 石墨與鈦酸鋰結構對比

    為了得到更高的比能量密度，LTO通常作為負極材料與錳酸鋰（LMO）或三元材料（NCM）正極材料組成電池，電壓平臺為2.3V左右。

    4．更安全的LpTO電池

    微宏對現(xiàn)有LTO材料進行改性，并同時對正極材料、隔膜以及電解液進行了相應的改性開發(fā)，經(jīng)過系統(tǒng)整合，開發(fā)出了更安全與超長循環(huán)壽命的LpTO電池。

    憑借對電池原料的技術改性，尤其是LpTO負極材料的應用，電池的安全性能得到了極大的提高。圖2是幾種目前常用在新能源汽車尤其是純電動公交與混合動力公交的電池與LpTO電池在同等條件下的穿刺測試對比照片。電池均為10Ah軟包裝單體，在相同的測試條件下，采用三元材料（NCM）作為正極，石墨（C）做負極的電池出現(xiàn)起火現(xiàn)象；采用磷酸鐵鋰（LFP）作為正極，石墨（C）做負極的電池產(chǎn)生了濃密的煙霧；而使用LpTO技術的電池則無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，同時電池電壓亦顯示正常。這是因為LpTO電池從基礎上改進了現(xiàn)有其他體系的鋰離子電池潛在的安全問題。

圖2. 碳負極與LpTO負極10Ah軟包裝電池穿刺對比安全測試截圖

    在某些更極端的測試條件下，LpTO電池也表現(xiàn)出較強的安全特性。圖3分別展示了LpTO電池在經(jīng)過并聯(lián)穿刺試驗，或多次切斷后的實物照片?？梢钥吹?，電池在并聯(lián)穿刺后并未發(fā)生起火或者爆炸，而經(jīng)過多次切斷試驗后還能保持其電壓。

圖3. LpTO電池10并穿刺測試及切斷測試后實物照片

    5．LpTO技術的應用

    目前，這種更安全的LpTO技術在新能源公交領域已經(jīng)有了批量的應用。自2011年3月以來，首批6輛配備LpTO技術的純電動快速充電公交巴士在重慶609路已累積安全運行28 000公里；2012年4月，又有25臺投入到新的線路運營，同期也投放了使用LpTO技術的50臺快速充電插電式混合動力公交巴士到重慶4條公交線路上。到2012年底，在重慶配備LpTO技術的新能源公交巴士總數(shù)將達到200臺。圖4是裝配LpTO電池的快速充電純電動巴士在重慶實地運營的照片。

圖4. 配備LpTO電池的快速充電純電動公交巴士在重慶實地運營

    6．小結

    無論是車企還是配套廠商，作為新能源汽車事業(yè)的參與者，都首先要將安全作為頭等大事，不能用生命的代價來換取產(chǎn)業(yè)的進步。鋰離子電池在正常使用條件下是安全的，而為了保證鋰離子動力電池的使用安全，除了在電池單體生產(chǎn)與成組時嚴格把控質(zhì)量關，避免因制造工藝引發(fā)安全事故以外，電池組合理的結構設計、電源管理以及熱管理都需要充分考慮。除去這些外部的因素以外，選用本身更安全的電池單體，可以從本質(zhì)上提高電動汽車用鋰離子電池的安全系數(shù)。

    微宏的LpTO技術改進了采用石墨負極電池的內(nèi)在缺陷，電池自身的安全特性得到了提升，使得電池更加安全。事實上，也有越來越多研究投入到了鋰離子動力電池的安全研究領域，因此，我們有理由相信，通過更合理的系統(tǒng)設計以及電池技術本身的改進，未來的新能源汽車將會更安全。